DE2913163C2 - - Google Patents
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- H03M1/12—Analogue/digital converters
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- Analogue/Digital Conversion (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Analog-Digitalwandler und
insbesondere Wandler zur Umsetzung des Ausgangssignals eines
Abtastkondensators für Fluglagen oder Flugverhältnisse in ein
Digitalwort. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Wandler,
der zwecks erhöhter Stabilität gegen Umwelteinflüsse isoliert
ist.
Flugdatenrechner für Flugnavigationszwecke verwenden Kondensatoranordnungen,
wodurch sich die Kapazität in Abhängigkeit vom
Luftdruck ändert und damit ein Maß für die Höhe des Flugzeugs
darstellt. Die Kondensatoren erzeugen Analogsignale, welche für
die meisten modernen Anwendungen in Digitalwörter umgesetzt
werden müssen. Bisher wurden Umsetzer oder Wandler verwendet,
die mit Präzisionsbrückenschaltungen arbeiten, welche eine auf
die zu messende Kapazitätsänderung bezogene Wechselspannung erzeugen.
Diese wird dann mit Hilfe eines Präzisionsumsetzers
(z. B. US-Patentschrift 38 82 488) in ein Digitalwort umgesetzt.
Der in diesem Patent beschriebene Umsetzer oder Wandler kann
für Messungen des statischen und dynamischen Drucks verwendet
werden, die vom Flugdatenrechner für die erwähnten Flugnavigationszwecke
verwendet werden.
Die Brückenschaltungen der beschriebenen Anlagen erfordern eine
große Anzahl von passiven und aktiven Präzisionsbauteilen, um
die erforderlichen auf den statischen und dynamischen Druck bezogenen
Absolutspannungen zu erhalten. Außerdem ist ein erheblicher
Aufwand an Filtern erforderlich, um die durch Klirrfaktor
und Stromversorgungsschwankungen eingeführten Fehler
klein zu halten. Dies wiederum macht die Ausgänge der Oszillatoren
der Anlage frequenzempfindlich, wodurch sehr stabile
Oszillatoren erforderlich sind. Der Fachmann erkennt, daß diese
Punkte erhebliche Nachteile bei einem Wandler für den vorbezeichneten
Zweck bilden.
Ein verbesserter Wandler ist im US-Patent 40 01 813 beschrieben.
Diese Anlage besitzt einen Umsetzer für Kapazitätswerte in Digitalwerte,
wobei die verhältnis- oder zustandsabgreifenden
Kondensatoren mit Bezugskondensatoren in einer Schaltung zusammengefaßt
sind, so daß keine absolute Wechselspannung mehr gebraucht
wird, wodurch die Anlage einen hohen Grad von Präzision erhält.
Die hauptsächlichen Fehlerquellen werden praktisch ausgeschaltet,
da alle Arbeitsgänge auf der Grundlage eines Fehlersignals durchgeführt
werden und ein einziger Oszillator sowohl den Abtast-
als auch den Bezugskondensator steuert, so daß Frequenzveränderungen
am Ausgang des Oszillators keine Wirkung auf die Meßgenauigkeit
ausüben. Außerdem wird der hohe Genauigkeitsgrad mit erheblich
weniger Bauteilen erreicht.
Der Kapazitätswert-Digitalwertumsetzer des US-Patents 40 01 813
ist weniger stabil als gewünscht, besonders wenn kleine Kapazitätsänderungen
gemessen werden sollen. Dies rührt daher, weil die
Kondensatoren und die zugeordneten Schaltungen nicht abgeschirmt
sind, und daher ist die Anlage für Umgebungszustände empfindlich,
woraus sich Streukapazitäten ergeben, welche die Stabilität der
Anlage beeinträchtigen.
Die erfindungsgemäße Anlage schafft eine
feste Umgebung bzw. feste Verhältnisse für die Schaltung, wodurch
die Wirkung solcher Streukapazitäten kontrolliert und die
Stabilität der Anlage erhöht wird.
Erfindungsgemäß, vgl. Patentanspruch 1 ist ein Kapazitätswert-Digitalwertumsetzer mit
Bezugs- und Abtastkondensatoren sowie einer speziellen Verstärkerschaltung
vorgesehen, die in einem abgedichteten Gehäuse
untergebracht ist, das feste Umgebungsverhältnisse bietet, wodurch
Streukapazitäten überwacht werden, die sonst die Stabilität
der Anlage beeinträchtigen. Ein Oszillator gibt eine Spannung
(E R ) ab, um die Bezugskondensatoren sowie einen Digital-Analogwandler
für N-Bits zu steuern. Der Digital-Analogwandler gibt
ein Signal (E S ) ab, um die Abtastkondensatoren zu steuern. Das
Signal (E S ) ist um 180° gegenüber dem Signal (E R ) bei einer Größe
von
versetzt (X = Eingangssignal des Digital-
Analogwandlers) und besitzt einen Pegel, nach der die Abtastkondensatoren
durchfließende Strom gleich ist der negativen
Stromkomponente in den Bezugskondensatoren. Wenn die Ströme in
den Bezugs- und den Abtastkondensatoren nicht gleich und entgegengesetzt
gepolt sind, wird eine Fehlerspannung am Ausgang
des Spezialverstärkers entwickelt, die zur Erzeugung eines
Gleichspannungsfehlersignals dient, das entweder auf ein abgetastetes
statisches Verhältnis (Druck) P S oder eines abgetasteten
dynamischen Verhältnisses (Druck) P T bezogen ist. Das Gleichspannungsfehlersignal
wird in ein Digitalsignal umgesetzt und
integriert, wobei dessen Zählung eine indirekte Messung der
Kapazität des Abtastkondensators darstellt, und da die Kapazität
direkt auf das zu messende Verhältnis bezogen ist, ist die
Digitalzählung indirekt auf dieses Verhältnis oder diesen Zustand
bezogen. Mit Ausnahme der Fehler im Digital-Analogumsetzer,
die normalerweise eine Größenordnung kleiner sind als
die geforderte Genauigkeit der Anlage, gibt es keine anderen
Hauptfehlerquellen, da alle Arbeitsgänge auf der Grundlage eines
Fehlersignals durchgeführt werden. Da außerdem sowohl die Abtast-
als auch die Bezugskondensatoren direkt durch einen einzigen
Oszillator angesteuert werden, haben die Frequenzänderungen
des Oszillators keine Auswirkung auf die Genauigkeit der vorgenommenen
Messungen. Weiterhin wird auch die Stabilität der Anlage
infolge der Isolierung gegen Umwelteinflüsse erhöht, wobei
stabile Umgebungsbedingungen für die Meßschaltung der Anlage
geschaffen werden.
Die Erfindung ist nachstehend erläutert. Alle in der Beschreibung
enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher
Bedeutung sein. Die Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Kombination von Blockschaltbild und Stromlaufplan
mit Darstellung der Schaltungsbeziehungen
der erfindungsgemäßen Bausteine,
Fig. 2 ein Flußdiagramm mit Darstellung der rechnergesteuerten
Funktion der Erfindung.
Ein Oszillator 2 (Fig. 1), der ein herkömmlicher Oszillator mit
niedrigem Innenwiderstand sein kann, erzeugt ein Wechselspannungssignal
E R , dessen Frequenz beispielsweise 3 kHz ist. Das Signal
E R liegt an einem Mehrbit-Digital-Analogumsetzer 8 an, der beispielsweise
ein 18-Bit-Umsetzer sein kann und ein Signal E S erzeugt.
Der Digital-Analog-Umsetzer 8 ist so beschaltet, daß das
Signal E S stets um 180° gegenüber dem Signal E R phasenversetzt
ist, wobei das Signal E R eine Größe von
besitzt
(X = Eingangssignal des Digital-Analogumsetzers). Das Signal
E R liegt an einem Bezugskondensator 4 und einem Bezugskondensator
12 an.
Das Signal E S liegt an einem Abtast- oder Meßkondensator 6 sowie
an einem Abtast- oder Meßkondensator 10 an. Es braucht
solch einen Spannungspegel, daß der den Meßkondensator 10 durchfließende
Strom gleich ist dem Negativwert des Stromes im Bezugskondensator
10 oder, daß der den Meßkondensator 6 durchfließende
Strom ist gleich dem Negativwert des Stromes im Kondensator
12 wie nachstehend näher erläutert wird.
Der Bezugskondensator 4 ist am Knotenpunkt 5 mit dem Meßkondensator
10 verbunden. Der Knotenpunkt 5 ist an die negative oder
Inversionseingangsklemme eines Rechenverstärkers 14 geführt.
Der Bezugskondensator 12 ist an einem Knotenpunkt 7 mit dem
Meßkondensator 6 verbunden. Der Knotenpunkt 7 ist an die negative
oder Inversionseingangsklemme eines Rechenverstärkers 16 geführt.
Die nicht invertierenden oder positiven Eingangsklemmen der
Rechenverstärker 14 und 16 sind an Masse gelegt.
Ein Kondensator 15 ist an eine Ausgangsklemme 11 des Rechenverstärkers
14 sowie an den Knotenpunkt 5 rückgekoppelt, und ein
Kondensator 17 ist an eine Ausgangsklemme 13 des Rechenverstärkers
16 sowie an den Knotenpunkt 7 rückgekoppelt. Es sei bemerkt, daß
die Knotenpunkte 5 und 7 effektive Massepunkte darstellen.
Der Bezugskondensator 4, der Meßkondensator 10 und die Verstärkerschaltung
einschließlich des Verstärkers 14 des Kondensators 15
und des effektiven Massepunktes 5 sind in einem abgedichteten
Gehäuse 9 untergebracht, während der Bezugskondensator 12, der
Meßkondensator 10 und die Verstärkerschaltung mit dem Verstärker
16, dem Kondensator 17 und dem effektiven Massepunkt in einem
versiegelten Gehäuse 11 untergebracht sind. Die Gehäuse 9 und 1
sind an Masse gelegt. Es sei bemerkt, daß das Gehäuse 9 und der
Verstärker 14 sowie das Gehäuse 11 und der Verstärker 16 jeweils
an einen gemeinsamen Massepunkt geführt sind, so daß die entsprechenden
Verstärker und Gehäuse auf dem gleichen Potential
liegen.
Die Ausgangsklemme 11 des Verstärkers 14 ist an einen Schalter
18 mit Arbeitskontakten, und die Ausgangsklemme 13 des Verstärkers
16 an einen Schalter 20 mit Arbeitskontakten geführt.
Wenn die Schalter 18 und 20 schließen, verbinden sie die entsprechenden
Verstärker 14 und 16 mit einem Knotenpunkt 19, der
seinerseits über einen Widerstand 21 an die negative oder Inversionseingangsklemme
eines Verstärkers 22 zur Einstellung des
Verstärkungsfaktors geführt ist. Der Verstärker 22 besitzt eine
an Masse geführte nicht invertierende oder positive Eingangsklemme,
und ein Rückkopplungswiderstand 25 ist an eine Ausgangsklemme
23 sowie an die negative oder Inversionseingangsklemme
des Verstärkers 22 angeschlossen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann die gemessene Kapazitätsänderung
verwenden, die durch die Meßkondensatoren 6 und 10 gegeben
wird, um Messungen des statischen und dynamischen Drucks
durchzuführen, und zu diesem Zweck sind die Kondensatoren in
Multiplexschaltung ausgelegt.
Um die gewünschte Meßwertwandlung von einer Kapazität in einen
statischen oder dynamischen Druck zu erreichen, ist ein herkömmlicher
Demultiplexer 34 mit der Ausgangsklemme 23 des Verstärkers
22 verbunden und gibt ein Ausgangssignal an eine Ausgangsleitung
36 und ein anderes Ausgangssignal an eine Ausgangsleitung
38 ab. Das Ausgangssignal an der Ausgangsleitung 36
gelangt an einen herkömmlichen Gleichrichter 40, und das Ausgangssignal
an der Leitung 38 an einen gleichen Gleichrichter
42. Die Gleichrichter 40 und 42 dienen außerdem dem Zweck,
eine 90°-Phasenverschiebung zu unterdrücken. Der Gleichrichter
40 erzeugt ein Fehlersignal Δ P T entsprechend dem dynamischen
Druck, und der Gleichrichter 42 erzeugt ein Fehlersignal Δ P S
entsprechend dem statischen Druck.
Die Fehlersignale Δ P S und Δ P T liegen über einen herkömmlichen
Analog-Digitalwandler 43 an einem Rechner 44 an, der arithmetische
und eine Integrationsschaltung zur Verarbeitung der Fehlersignale
nach dem US-Patent 38 82 488 enthält. Das Ausgangssignal
des Rechners wird über ein herkömmliches Faßspeicher- oder Halteregister
46 an einen Digital-Analogumsetzer 8 zurückgeführt.
Die Schalter 18 und 20, die elektronische Schalter wie Transistoren
oder dergleichen sein können, werden wie der Demultiplexer
34 durch den Rechner 44 beaufschlagt, so daß eine Digitalzählung
für den dynamischen oder statischen Druck geschaffen wird. Eine
Digitalzählung für den dynamischen Druck ergibt sich durch Öffnung
des Schalters 18 und Schließen des Schalters 20, während
eine Digitalzählung für den statischen Druck durch Schließen
des Schalters 18 und Öffnen des Schalters 20 erreicht wird,
wie nachstehend anhand des Schlußdiagramms der Fig. 2 näher
erläutert wird.
Wie bereits erwähnt, ist der Digital-Analogumsetzer 8 so ausgelegt,
daß sein Ausgangssignal E S um 180° gegenüber dem Bezugssignal
E R des Oszillators 2 bei einer Größenordnung von
versetzt ist. Die Aufgabe des Ausgangssignal
E S des Digital-Analogumsetzers 8 besteht darin, einen solchen
Spannungspegel zu finden, daß der den Kondensator 10 durchfließende
Strom gleich ist dem Negativwert des Stromes im
Kondensator 4 oder daß der den Kondensator 6 durchfließende Strom
gleich ist dem Negativwert des Stroms im Kondensator 12.
Nimmt man an, der Schalter 18 sei geschlossen und der Schalter
20 durch die Wirkung des Rechners 44 geöffnet (Fig. 2) und daß
die Ströme in den Kondensatoren 4 und 10 nicht gleich und von
entgegengesetzter Polarität sind, dann entsteht eine Fehlerspannung
an der Ausgangsklemme 11 des Verstärkers 14. Diese
Fehlerspannung wird über den Rückführungskondensator 15 an den
effektiven Massepunkt 5 zurückgeführt. Folglich liegt an der
Ausgangsklemme des Verstärkers 14 eine Fehlerwechselspannung an,
die gleich ist:
Die Fehlerspannung wird über den Verstärker 22 zur Einstellung
des Verstärkungsfaktors sowie den Demultiplexer 34 beispielsweise
an dem Umsetzer 42 angelegt, um ein dem Fehler des statischen
Druck entsprechendes Gleichspannungsfehlersignal Δ P S zu
erzeugen.
Das Fehlersignal Δ P S gelangt über den Analog-Digitalumsetzer
43 an den Rechner 44 (US-Patent 38 82 488) und wird über das
Tastspeicherregister 46 an den Digital-Analogumsetzer 8 zurückgeführt.
Die Rückführung über den Rechner 44 zwingt das Signal
E S , einen Wert anzunehmen wie beispielsweise:
Unter dieser Bedingung gilt die folgende Beziehung:
Daß das Signal E S der mit dem Signal
multiplizierten
Digitalzählung des Rechners 44 gleich ist, ist die Digitalzählung
gleich
und da C 4 und 218 konstant sind, stellt
die Digitalzählung eine indirekte Messung der Kapazität des
Kondensators 10 dar. Da die Kapazität des Kondensators 10 außerdem
direkt auf den statischen Druck bezogen ist, ist auch die
Digitalzählung indirekt auf den statischen Druck bezogen
Daraus ergibt sich, daß eine indirekt auf den dynamischen Druck
bezogene Digitalzählung, d. h. bezogen auf P T in gleicher Weise
durch Öffnen des Schalters 18 und Schließen des Schalters 20
über den Rechner 44 erreicht wird (Fig. 2). Falls direkt auf
den statischen und dynamischen Druck bezogene Digitalzählungen
gewünscht werden, kann man sie dadurch erhalten, daß man die
Inversion im Digital-Analogumsetzer 8 entfallen läßt und ihn
durch -E R aufhebt, wobei dann E S durch die folgende Gleichung
dargestellt werden kann:
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung eines Programms
des Rechners 44, das über den Digital-Analogumsetzer 8, den
Demultiplexer 34 und die Schalter 18 und 20 ausgeführt wird. Es
sei bemerkt, daß die Bezeichnungen A 0 bis A 9 im Flußdiagramm
der Fig. 2 Rechenwerkregister oder Akkumulatoren des Rechners
darstellen.
Die Programmfolge beginnt nach dem Aufbau der Fig. 1, wenn Ausgangssignale
am Digital-Analogumsetzer 8 anliegen, wodurch die
Steuerung für den zu öffnenden Schalter 18 und den zu schließenden
Schalter 20 sowie durch die Steuerung zur Wahl des Fehlersignals
Δ P T über den Gleichrichter 40 und den Demultiplexer 34
ausgelöst werden.
Die Programmfolge setzt sich mit einer entsprechenden Echtzeitkonstante
fort, die in das Programm eingebaut ist, worauf das
Fehlersignal Δ P T integriert und normiert wird und dann an den
Digital-Analogumsetzer 8 ausgegeben wird. Daraufhin öffnet die
Ausgangssteuerung des Rechners den Schalter 20, während der
Schalter 18 zur Wahl des Fehlersignals Δ P S über den Multiplexer
34 und den Gleichrichter 42 geschlossen wird.
Sodann ist eine entsprechende Echtzeitkonstante in das Programm
eingebaut, und das Signal Δ P S wird integriert und normiert, um
an den Digital-Analogumsetzer 8 angelegt zu werden, worauf die
Programmfolge wiederholt wird.
Aus der vorstehenden Beschreibung der Erfindung ergibt sich, daß
keine anderen Hauptfehlerquellen vorhanden sind außer möglicherweise
im Digital-Anlogumsetzer 8, wobei jedoch diese Fehler
normalerweise um eine Größenordnung kleiner sind als die erforderlichen
Genauigkeiten der Anlage, da alle Funktionen aufgrund
eines Fehlersignals durchgeführt werden. Da außerdem sowohl
die Meß- als auch die Bezugskondensatoren direkt durch einen
einzigen Oszillator, d. h. den Oszillator 2 angesteuert werden,
haben Frequenzänderungen des Oszillators keine Auswirkungen
auf die Genauigkeit der Meßwertumsetzung. Aus dem gleichen Grunde
ist auch keine Zwischenfilterung erforderlich, und Spannungsänderungen
sowie Klirrfaktoren heben einander auf. Erfindungswesentlich
ist sodann die Tatsache, daß sich eine erhebliche
Einsparung an Bauteilen durch die Erfindung im Vergleich zu den
jetzt erhältlichen Vorrichtungen des früheren Standes der Technik
ergibt.
Außerdem bewirkt die Ausführung der Erfindung, bei welcher die
Verstärkerschaltungen einer jeden verhältnismessenden (druckmessenden)
Zelle zugeordnet und angepaßt sind, und bei welcher
die Zellen in dichten Gehäusen untergebracht sind, daß die Anlage
gegen Umgebungseinflüsse, die zu Streukapazitäten führen,
welche die Stabilität der Anlage beeinflussen können, isoliert
ist. Es sei bemerkt, daß bei der vorstehend beschriebenen Anordnung
durch den Einsatz der Rückführungskondensatoren 15 und 17
die Verstärker 14 und 16 einen konstanten Verstärkungsgrad
erhalten, so daß die Rückführungskapazität proportional dem
durch die Kapazität des Rückführungskondensators 15 oder 17
dividierten Quotienten der Kapazität des Kondensators 10 oder 6
ist, d. h. entweder
Claims (4)
1. Kapazitätswert-Digitalumsetzer, der eine digitale Darstellung
des Kapazitätswertes eines Zustandsmeßkondensators
oder des Auslösewertes bietet, welchem der Zustandsmeßkondensator
ausgesetzt ist, mit folgenden Bauteilen: mindestens
einem Zustandsmeßkondensator, mindestens einem Bezugskondensator,
mindestens einem Rückführungskondensator, ferner
mindestens einem Rechenverstärker, welchem der Zustandsmeßkondensator
und der Bezugskondensator als Eingangsimpedanzen
vorgeschaltet sind, wobei der Rückführungskondensator
zwischen den Ausgang und den Eingang des Rechenverstärkers
in Gegenkopplung geschaltet ist und das Ausgangssignal
des Rechenverstärkers ein Fehlersignal darstellt,
weiter mit Einrichtungen zur Umsetzung des Fehlersignals in
ein digitales Fehlersignal, mit einer Einrichtung zur Integration
des digitalen Fehlersignals und zur Speicherung des Ergebnisses
der Integration, mit einer Wechselspannungsbezugssignalquelle
sowie Einrichtungen zur Veränderung der Amplitude
des Bezugssignals in Abhängigkeit vom integrierten
Fehlersignal, um ein Meßsignal zu erzeugen, wobei das Bezugssignal
und das Meßsignal um 180° phasenversetzt am Bezugskondensator
und am Meßkondensator anliegen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Umsetzer die folgenden Bauteile umfaßt:
ein elektrisch leitendes Gehäuse (9), welches als Baublock den Bezugskondensator (4), den Meßkondensator (10), den Rückführungskondensator (15) sowie den Rechenverstärker (14) umfaßt, ferner dadurch, daß der Rechenverstärker (14) mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang versehen ist, wobei der Bezugskondensator (4), der Meßkondensator (10) sowie der Rückführungskondensator (15) ständig an den Inversionseingang des Verstärkers (14) angeschlossen sind und schließlich dadurch, daß das Gehäuse (9) und der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers (14) an einen Punkt mit gemeinsamem Potential angeschlossen sind.
ein elektrisch leitendes Gehäuse (9), welches als Baublock den Bezugskondensator (4), den Meßkondensator (10), den Rückführungskondensator (15) sowie den Rechenverstärker (14) umfaßt, ferner dadurch, daß der Rechenverstärker (14) mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang versehen ist, wobei der Bezugskondensator (4), der Meßkondensator (10) sowie der Rückführungskondensator (15) ständig an den Inversionseingang des Verstärkers (14) angeschlossen sind und schließlich dadurch, daß das Gehäuse (9) und der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers (14) an einen Punkt mit gemeinsamem Potential angeschlossen sind.
2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gehäuse (9) hermetisch dicht ist.
3. Umsetzer nach Anspruch 1 mit einer Anzahl von Zustandsmeßkondensatoren,
einer gleichen Anzahl von Bezugskondensatoren,
weiter einer gleichen Anzahl von Rückführungskondensatoren
und ebenfalls einer gleichen Anzahl von Rechenverstärkern,
deren Ausgangssignale einzelne Fehlersignale darstellen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (18, 20) an den
Ausgang eines jeden Rechenverstärkers (14, 16) angeschlossen
ist, um einen bestimmten Ausgang zur Erzeugung des einzelnen
Fehlersignals zu wählen.
4. Umsetzer nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Anzahl von elektrisch leitenden Gehäusen (9, 11) vorgesehen
ist, von denen jedes einen einzelnen Baublock mit
jeweils einem Rechenverstärker (14, 16) und dem zugeordneten
Rückführungs-, Zustandsmeß- und Bezugskondensatoren (15, 10,
4; 17, 6, 12) enthält.
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D2 | Grant after examination | ||
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