DE2626899C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Genauigkeitsüberprüfung eines Analog-Digitalwandlers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Genauigkeitsüberprüfung eines Analog-DigitalwandlersInfo
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- DE2626899C3 DE2626899C3 DE2626899A DE2626899A DE2626899C3 DE 2626899 C3 DE2626899 C3 DE 2626899C3 DE 2626899 A DE2626899 A DE 2626899A DE 2626899 A DE2626899 A DE 2626899A DE 2626899 C3 DE2626899 C3 DE 2626899C3
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Description
45
50
55
60 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 (.96) 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 weiteransteigcndcn Sägezahnspannung mit der
Referenzspannung dienenden Eichphasenteilzeit der Speicherkondensator (5) des Sägezahngenerators
(4) über einen vom Steuerwerk (8) beaufschlagten Halbleiterschalter (Feldeffekttransistor 42) entladen
wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wiederholten Nacheichung und Genauigkeitsüberprüfung
eine's 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 ~<iit 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 Ungenatiigkeiten 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 Driflverhalten von Verstärkern und Vergleichsschaltung
kommen Fehler vor, denen durch entsprechende Nacheichung begegnet werden muß.
Aus der DE-OS 21 08 329 ist ein Analog-Dighalwandler
bekannt, bei dem die Sägezahnspannung zu 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 angeglichen werden bzw. daß die impulszahi 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 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 quarzgesteuerten 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
Abweichung des dann erreichten Sägezahnspannungspotentials
von einer vorgegebenen Referenzspannung entsprechend in ihrer Ladung und damit ihre Ausgangsspannung
beeinflußt wird. Nachteilig ist jedoch insgesamt be· den bekannten Analog-Digitalwandlern.
daß zwar Möglichkeiten zur Eichung vorgesehen sind, jedoch nicht festgestellt werden kann, ob zu einem
gegebenen Zeitpunkt der Analog-Digitaiwandler innerhalb eines noch tragbaren Toleranzbereiches in seiner
Genauigkeit liegt oder unter Umständen völlig falsche Ausgangswf rte 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 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 vorzugeben und wiederholt zu ermitteln, ob dei
Analog-Digitalwandler sich innerhalb dieses Toleranzbereiches befindet.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die L;rfindung aus
von dem eingangs genannten Verfahren und besteht 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 Ergebnis
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 ToIeranzbereichiüberprüfung
aus und benutzt dabei in vorteilhafter Weise die Bezugsspannungen, die dem
Analog-Digitalwandler zur Eichung ohnehin zur Verfügung stehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspriiche.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert an Hand
Die nachfolgende Beschreibung erläutert an Hand
lü der Zeichnung Aufbau und Wirkungsweise des Anmeldungsgegenstandes
im einzelnen. Dabei zeigt
F i g. 1 eine, zum Teil detailliert ausgebildete Schaltungsanordnung
eines Analog-Digitalwandlers, die das erfindungsgemäße System zur Genauigkeitsüberprüfung
und Eichung umfaßt, und
F i g. 2 zeigt die bei dem Analog-Digitalwandler der F i g. 1 während Meßphase und Eichphase auftretenden
Spannungs- und Kurvenverläufe an verschiedenen Schaltungspunkten.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich das erfindungsgemäße System besonders o-a als Ergänzung
und Verbesserung des in der Dt-CS 21M227
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 F i g. 1 und der Funktionsverläufe der F i g. 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 S3 geschlossen, so daß diese Spannung über einen
Widerstand 2 zum Schaltpunkt PX gelangt Über den
Widerstand 3 wird der unbekannten Meßspannung U, eine von einem Sägezahngenerator 4 erzeugte iägezahnspannung
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 PX anliegenden Spannungen mit hoher Genauigkeit
feststellt
Vor Beginn der Meßphase wird zunächst der
so Sägezahngenerator 4 durch Schließen des Schalters 5 5
mit einer Spannungsklemme geeigneten Vorzeichens verbunden und auf einen oberen Anschlag hochgefahren.
Von diesem Anschlag integriert dann der Integrator 4 nat/1 unten und erzeugt den in Fig. 2 mit Uc
bezeichneten, strichpunktiert angegebenen Spannungsverlauf, der zwischen den beiden Bezugsspannungen
+ Uref und - Urcf linear verläuft
Zunächst erfolgt jedoch noch eine Festlegung des oberen Integratofsnannungsausgangswertes und damit
des Zeitpunktes, an welchem der zum Sägezahngenerator 4 parallellaufende Zähler seinen Zählvorpng
beginnt. Der Vorwarts-Ruckwartszahler 7 in F i g. I
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 U
(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 Schallungskomponenten noch weitere, einen geordneten Ablauf des Gesamtsystems
bewirkende Schaliungskompönenten enthält, auf die
jedoch nicht im einzelnen eingegangen zu werden braucht, der Schalter 55 wieder geöffnet und bei
geöffnetem Schalter 53 zunächst Ober den dann geschlossenen Schalter 52 die negative Referenzspannung
— Urcr über den Widerstand 2 der Integralofausgdvigsspannung
enlgegengeschaltel. Der Spannungsverlauf an Punkt P2 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 Mcßphasc der unbekannten MeBspannung Ux. Mit dicker Linie schwarz
durchgezogen ist die am Schaltungspunki P1 anliegende
Spannung Uv. die gleichzeitig die Eingangsspannung für den Komparator 6 darstellt. Wie ersichtlich, ist die
negative Referenzspannung — UTCt zunächst negativ
kleiner als die von positiven Spannungswerten nach unten integrierende Sägezahnausgangsspannung Uc
Der Integrator oder Sägezahngenerator 4 läuft daher vom Zeitpunkt ίο bis zum Zeitpunkt ii, zu welchem
Zeitpunkt die Eingangsspannung des Komparators 6 zu Null v/ird. Dadurch ändert sich die Ausgangsspannung
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
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 Λ der Schalter 52 wieder geöffnet und der Schalter 53 geschlossen, so daß die
Spannung am Schaltungspunkt P2 nunmehr den Wert derunbekannten Meßspannung Ux annimmt.
Wie aus dem Funktionsdiagramm der F i g. 2 ersichtlich, ist ein solcher Analog-Digital wandler 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 t\ laufen der Integrator 4 und der Zähler 7 von ihren Extremwerten (d. h. vom Zählerstand
nma, bzw. von der der negativen Referenzspannung
— Urcr entgegengesetzt gleichen Ausgangsintegratorspannung
Uc) 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 Wert Null, was dann der Fall ist, wenn dem
Analog-Digitalwandler eine positive unbekannte Eingangsmeßspannung
Ux zugeführt ist, denn, wie ersichtlich,
ist bei negativen Meßspannungswerten die Meßspannung noch vor dem Zählerstand Null entgegengesetzt
identisch der Integratorausgangsspannung —, dann zählt der Zähler 7 automatisch nunmehr
aufwärts, wobei durch geeignete Mittel, die das Durchlaufen des Zählerstands Null feststellen, auch das
Vorzeichen der EingangsnieBspannung ermittelt und
angegeben werden kann.
Ist dann schließlich zum Zeitpunkt h die Meßspannung
Ux positiv gleich der negativen Sägezahnspannung
Uc dann durchläuft die Eingangsspannung Uv des
Komparators 6 den Wert Null und der Komparator veranlaßt das Steuerwerk 8f daß der momentane
Zählerinhalt zu diesem Zeitpunkt auf den Speicher 16 ■j übertragen wird, was durch einen geeigneten, vom
Steuerwerk 8 erzeugten Schicbeimpuis auf der Leitung 15 geschehen kann, im Speicher ergibt sich dann ein
Zählersland, der dem Wert der zu messenden Spannung i/xentspricht.
ίο Nach Übernahme des Zählerinhalts in dem nachgeschalteten
Speicher 16 laufen jedoch, wie rig. 2 zeigt,
unabhängig von der Auslösung des Sohicbeimpulses 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
2» versehenen Speicherschaltung dem Sägezahngenerator 4 als zn integrierende Eingangsspannung zugeführt
wini Je nach Größe dieser zu integrierenden Spannung ergeben s/ch Steilheit und erreichter Endwert der
Sägezahngenerator-Ausgangsspannung und die Nach-
in eichung 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
}'j bei Erreichen seines maximalen Zählerstandes die
Eichphase ein, die bei der Betrachtung der Erfindung von wesentlicher Bedeutung ist. Diese Eichung erfolgt
dann allgemein so, daß, veranlaßt durch ein entsprechendes Ausgangssignal des Zählers 7, welches leicht
to durch Abnahme einer Spannung an der letzten Zählerstelle gewonnen werden kann, zur Eichung dem
beim maximalen Zählerstand nmix erreichten Endwert
der festgehaltenen Ausgangsspannung des Sägezahngenerators 4 durch Schließen des Schalters 51 die
•55 positive Referenzspannung + U^i entgegengeschaltet
wird. Stimmen diese Spannungen überein, führt die Komparatormeldung zu keiner Nachregelung; ergibt
sich eine Differenz, dann beeinflußt der Komparator 6 die Speicherschaltung 20 derart, daß für den oder die
nächsten Meßzyklen durch Änderung der gespeicherten, vom Sägezahngenerator 4 zu integrierencfen
Spannung die Ausgangsspannung des Sägezahngenerators 4 so angepaßt wird, daß keine Abweichung mehr
festgestellt werden kann.
Dies bedeutet jedoch nicht, daß nicht eine Messung
auch bei fehlender Obereinstimmung möglich ist und die Erfindung schlägt Maßnahmen vor, wie eine einwandfreie
Überprüfung und Eichung eines solchen Analog-Digitalwandlers ohne größeren Aufwand möglich ist
An sich könnte ein solcher Analog-Digitalwandler dadurch geeicht werden, daß man, beispielsweise in
periodischen Abständen, als unbekannte Meßspannung an der Eingangsklemme 1 eine bekannte Referenzspannung
aufschaltet, die dann ein ganz bestimmtes Ausgangszählersignal hervorrufen muß, welches nur
innerhalb enger Toleranzen, beispielsweise jeweils zwei Zählschritte nach oben oder unten bei einem Zählerstand
von 10 000, hiervon abweichen darf. Eine
verblüffende Lösung einer solchen Nacheichung ergibt sich jedoch wenn entsprechend einer erfindurigsgemä-Ben
Maßnahme so Vorgegangen wird, daß die ohnehin am Ende jedes Meßvorgangs vorgenommene Aufschaltung
der positiven Referenzspannung Uta (was der
Nachf>:hung der Speichefschaltung 20 dient) dazu
ausgenutzt wird, gleichzeitig den Eichzustand des Analog-Digitalwandlers überhaupt und sein Genauigkeitsverhalteri
festzustellen.
Läßt man nämlich nach Erreichen des maximalen Zählerstandes nm« 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 Piäzision 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 Fig.2 eingezeichnet ist. Dieser Regelimpuls 22 kann mindestens mittelbar von der
Frequenz des Taktgenerators 12 abgeleitet sein, dessen Zählimpulsfolge streng proportional zum Anstieg der
Säge ahnspannung 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 Spannung
bereitstellt
Es versteht sich, daß entgegen dem Kurvenverlauf der F i g. 2 die von dem Integrator erzeugte Sägezahnspannung
auch von unten nach oben ansteigend verlaufen kann; dies sind lediglich Umkehrungen der
vorhandenen Schaltungsmöglichkeiten. Auch die Ausübung der Schaltfunktionen 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 S1 geschlossen und damit die positive Referenzspannung aufgeschaltet ist
Dieser zeitliche Abstand Δ τ ist zweckmäßig, damit Einschwingvorgänge, die beim Aufschalten dieser
Referenzspannung entstehen können, abgeklungen sind, bevor der Koinzidenzvergleich mit der Sägezahnspannung
vorgenommen wird.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel 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 !Comparators 6 auch durch andere,
geeignete Schaitmittel vorgenommen werden können.
Sobald der Zähler 7 seinen maximalen Endstand nmtt
erreicht hat, wird über die Leitung 22 dem Steuerwerk 8 ein entsprechender Impuls zugeleitet, der beispielsweise
durch das Hochgehen auch der letzten Stelle des
Zählers 7 erzeugt werden kann.
Dieser Impuls, der durch eine entsprechende Gattersteuerung auch die Zuführung weilerer 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 Dekadenzählcr 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
^D-Flipflop) 27 sowie zum Eingang eines Schalters 56,
der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Feldeffekttransistor ausgebildet ist und den Ausgang
des !Comparators 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 22 035 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 »Der-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 ToIeranzzeitrauinsentgeger.gesetztidentisch
zur aufgeschalteten Referenzspannung ist.
Die Ausvrxrtung 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 MeBphiise so lange, bis schließlich Synchronisation
erreicht ist und/oder zur Anzeige eines Überlast- bzw. nicht betriebsbereiten Zustands.
Im Ideall'all durchläuft somit, wie Fig.2 zeigt, die
entgegengescha!·?*«1 Bevugssnannung + f/-frden Reeelpuls
in dessen zeitlicher Mitte was dadurch zum Ausdruck kommt, daß der Eingang des Komparators 6
während der ersten Hälfte des Regeliinpulses 22 hoch
und während der zweiten Hälfte niedrig Hegt, mit einer entsprechenden, umgekehrten Potentialverteilung am
Komparatorausgang, wobei jedoch der Komparatorausgang beim Durchlaufen des eingangsmäßigen
Nullpotentials ausgangsmäßig ein Sprungfunktionsverhalten zeigt.
Der Ausgang des Komparators 6 ist über die Verbindungsleitung 35 und den schon erwähnten
Schalter 515 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 S 6 steuert, der das Ausgangspotential
des Komparators 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
Betriebsbeireitschaft 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.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig.]
erfolgt die Rücksetzung des ersten Flipflops 23 in der Schaltungsreihe durch den über die /?C-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 F i g. 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
w 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-
■45 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur wiederholten Nacheichung und GenauigUeitsüberprüfung 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 Obereinstimmung 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
Übereinstimn.ang der Referenzspannung mit der Sägezahnspannung zeitlich innerhalb der Regeümpuisdiiuer
iiegi.
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 i· 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 Regelinv
puls (22) und andererseits das Ausgangssignal des Komparator (6) zugeführt ist und die ihren
Schaltungszustand nur dann ändert, wenn das Komparatorausgangssighal zeitlich innerhalb der
40
Priority Applications (7)
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