DE2935831C2

DE2935831C2 -

Info

Publication number: DE2935831C2
Application number: DE2935831A
Authority: DE
Inventors: Francis Michael Monroe Conn. Us Jobbagy
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1979-09-03
Publication date: 1991-11-14
Also published as: GB2103442B; GB2030392B; SE7907192L; SE8405983D0; SE437591B; BE878605A; FR2435861B1; DE2935831A1; IN152608B; GB2103442A; FR2435861A1; SE8405983L; JPS5537100A; CA1146276A; CH633397A5; NL7905747A; GB2030392A

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppelneigungs-Analog-Digital-Konverter zum Liefern eines Digitalausgangssignals, das einem empfangenen Analogsignal entspricht.

Solche Konverter sind allgemein bekannt, beispielsweise durch die US-Patentschriften 33 16 546, 34 58 803 und 35 66 397, sowie die DE 26 28 084 A1. Das Verfahren des Umwandelns beinhaltet die Integration eines unmittelbar auf eine unbekannte Spannung bezogenen Stromes für eine feste Dauer, der der Integration eines Normstromes folgt, der auf eine Bezugsspannung entgegengesetzter Polarität bezogen ist, bis der Ausgang des Integrators auf Null zurückkehrt. Die gesamte dafür benötigte Dauer der Integration ist direkt proportional dem Verhältnis des gemessenen Stromes zum Normstrom und deshalb zur gemessenen Spannung. Der Integrator ist somit eine Schaltung, die einen sich mit der Zeit linear ändernden Ausgangswert (gewöhnlich ein Anstieg) erzeugt, wenn der Eingang eine zur Zeit konstante Spannung ist und die Rate der Integratorausgangsspannung direkt proportional zur Größe der Eingangsspannung ansteigt. Bei einer Eingangsspannung Null ist die Ausgangsspannung keiner Änderung unterworfen, bleibt aber Null, welcher Ausgangswert auch immer bei Beginn der Zeitdauer erzielt wird.

Die Norm-Operation für bisherige Konverter besaß die Integration der Unbekannten in derselben Polaritätsrichtung wie das Eingangssignal, z. B. positiv zu positiv, das dann auf ein Bezugssignal entgegengesetzter Polarität geschaltet wird, das auf Null integriert wird. Dieses wird dann von einer Vergleichseinrichtung der integrierten Signale festgestellt und für große Analog-Eingänge werden verlängerte Zeiten notwendig, um die Nullintegration zu bewirken. Die digitalen Zählungen werden dann in einem Register angesammelt, das proportional zum Zeitfaktor der unbekannten Integration ist.

Während diese grundsätzliche Anordnung mit einer Genauigkeit hohen Grades funktioniert hat, so verlangte dies doch Referenzkopplung und das Feststellen der Polarität, was bei sehr kleinen Eingangswerten schwierig wird und zu Schaltunsicherheiten führt. Auch wurden Vorspannungsströme bei diesen bekannten Einrichtungen zu bzw. von den Neigungen in jeder ihrer geänderten Richtungen addiert und subtrahiert. Zum Überwinden dieser Nachteile war es notwendig, Präzisionsverstärker geringer Versetzung zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelneigungs-Analog-Digital-Konverter so auszubilden, daß er seine Funktion mit hoher Genauigkeit auch ohne Verwendung teuerer, hochpräziser Bauelemente erfüllt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Konverter gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die weitere Ausbildung des Erfindungsgegenstandes geht aus den Merkmalen der Unteransprüche hervor.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß eine hohe Genauigkeit und Linearität des Konverters mit relativ billigen, nichtkritischen Bauelementen erreicht werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm als Beispiel einer Anwendung des Doppelneigungs-Analog-Digital-Konverters;

Fig. 2 die Schaltung des Konverters;

Fig. 3 ein Spannungs-Zeitdiagramm des Konverters nach Fig. 2 bei Null- und Nichtnull-Signalwert und

Fig. 4 einen Konverter nach Fig. 2 mit einer Linearisierungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Wandler 10 zum fortlaufenden Abgeben eines Analogsignals Va, das zum gemessenen Wert eines Zustandes in Verbindung steht, der vom Wandler gemessen worden ist. Der Wandler 10 kann üblicherweise von einer entsprechenden Art eines Meßinstrumentes sein, von dem ein Analogausgangssignal erhalten wird und bei einer bevorzugten Benutzung einen Druck- oder Temperaturübertrager bilden kann, wie er beispielsweise in den US-Patentschriften 37 42 233 und 41 09 147 beschrieben wird. Das Analogsignal Va des Wandlers wird in Verbindung mit einem Bezugssignal Vr einer bekannten geregelten Spannung an einen A/D-Konverter 12 gegeben, der wiederum ein Zählsignal Vd für eine andere Anwendung wie beispielsweise zum Betätigen einer Dititalanzeige 14 liefert.

Fig. 2 zeigt den A/D-Doppelneigungskonverter 12 mit einem Summierungsverstärker 16, einem Integrator 18, einer Vergleichseinrichtung und Auto-Null-Verstärker 20, einem Prüf-Halte-Verstärker 22 und einem Logik- und Sammelmodul 24, der für das beschriebene Beispiel von einer handelsüblich verfügbaren Art ist, die dem nach "National Semiconductor MM 5330-A/D-Building Book" ähnlich ist, der, wie weiter unten beschrieben, betrieben werden kann. Das Analogsignal Va, das in Beziehung zum gemessenen Parameter vom Wandler 10 geliefert wird, ist von negativer Polarität zum direkten Verbinden über den Schalter SW-1 mit dem Summierungsverstärker 16, während die Bezugsspannung Vr, die von einer regulierten Spannungsquelle geliefert wird, von negativer Polarität ist und über den Schalter SW-2 an die Vergleichseinrichtung und den Auto-Null-Verstärker 20 angeschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers 16 ist über den Schalter SW-3 mit der positiven Klemme des Integrators 18 verbunden, während eine V_max-Spannung über die Teilungsschaltungen R₁ und R₂ zum Speisen der negativen Klemme des Integrators 18 abgeleitet wird. Bei einer maximalen positiven Spannung Va=1,9999 Volt ist V_max willkürlich auf 2,2000 Volt eingestellt und bei Va=Null gemessen, würde V_max willkürlich bei 2,2000 Volt eingestellt sein. Der Logik- und Sammler-Modul 24 steuert die erwähnten Schalter.

Fig. 3 zeigt einen vollständigen A/D Konversionszyklus des Analogsignals Va. Der Zyklus von links nach rechts besteht aus drei Phasen, nämlich der Auto-Null-Phase III, der Integrator-Bezugs-Phase I für eine gegebene feste Dauer T_r und der unbekannten Phase II für eine veränderbare Dauer Tx. Während der Phase III arbeitet die Vergleichseinrichtung. Der Auto-Null-Verstärker 20 als Null-Verstärker hoher Verstärkung, der mit dem Schalter SW-4 geschlossen ist, betreibt den Prüf-Halte-Verstärker 22, den Kondensator C-1 und invertierenden Summierverstärker 16 über den Schalter SW-3 zum Wiederherstellen der Spannung der Integratorkapazität C-2 auf Null Volt. Die Schalter SW-1, SW-2 und SW-5 sind während dieser Phase durchweg geerdet. Auch werden wegen der Charakteristiken des Verstärkers 22 alle Verstärkerspannungsversetzungen im Kondensator C-1 gespeichert, wo sie während des Integrationszyklus bleiben, der zum Aufheben gleichgroßer Versetzspannungen dient.

Während der Phase I sind beim Ansprechen auf ein empfangendes Netzsynchronsignal die Schalter SW-4 und SW-5 geöffnet. Über den Schalter SW-2 wird an den Verstärker 20 das Bezugssignal V_r zum gleichzeitigen Aufbauen von V_max über die Teiler R₁ und R₂ angelegt. Die Spannung V_max ist auf der Basis der gewünschten Vollskalenzählungen gewählt. Gleichzeitig wird Va über den Summierverstärker 16 und den Schalter SW-3 an den Eingangsintegrator 18 gelegt, dessen Ausgang dann zur Integration sich zu Va dreht, um eine Bezugsperiode Tr zu beginnen, während die Integration für einen Signalwert stattfindet, der auf der Differenz V_max-Va basiert. Die Zeit Tr ist vorzugsweise so gewählt, daß sie ein ganzzahliges Vielfaches der örtlichen Netzfrequenz ist, um die normale Geräuschdämpfung des Konverters zu verbessern.

Nach Beendigung der Phase I wird die Phase II eingeleitet, während der die Bezugsspannung V_r für eine unbekannte Dauer Tx an den Integrator 18 gelegt wird, bis die Schwelle der Vergleichseinrichtung 20 beim Vergleichen zwischen den Signalwerten von V_r und dem Integratorausgang überschritten wird.

Zu dieser Zeit werden zusammenfallend mit dem Ausgang der Vergleichseinrichtung die Digitalzählungen, die während der Integrationsdauer Tx angesammelt worden sind, vom Zähler an die Anzeigeeinrichtung 14 gelegt. Dies kann durch das folgende Beispiel verständlich gemacht werden. Dort ist:

worin C_o=der Zählungsüberlauf und C_f die Taktfrequenz (Hz) ist. Die dritte Harmonische wird mit 60 Hz=0,050 sek. und C_o mit 18 000 angenommen. Dann ist C_f=360 000 Hz, worin Va gleich Null und V_max gemessen wird. Es ergibt sich eine vollständige Konversion auf der Basis von:

T_c = Tr + Tx (Fig. 3);

wobei +0000 angezeigt wird.

Eine digitale Linearisierung, die bei dem A/D-Konverter 12 angewendet werden kann, wird mit Fig. 4 erläutert, in der eine schematische Schaltung mit einem Mikrocomputer 26, einen PROM 28 und einer Taktquelle 30 mit veränderbarer Frequenz gezeigt ist, die mit dem Logik- und Sammelmodul 24 verbunden ist. Während der Phase I (Fig. 3) liest der Mikrocomputer 26 PROM 28 zur Aufnahme einer programmierten Information um den Taktgeber 30 an einer solchen Frequenz zu betreiben, daß Tr ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz ist.

Die Phase II wird vom Mikrocomputer an der Konvertleitung C_o erfaßt und betreibt auf der Basis der von PROM 28 empfangenen Information die Frequenz des Taktgebers 30 bei verschiedenen Raten pro Zeiteinheit, wie sie im PROM 28 programmiert worden ist. Auf diese Weise beeinflussen die Taktfrequenzen, die zwischen den Phasen I und II verschieden sind, die Konversionszeit, die dafür für eine gegebene Eingangsspannung Va konstant bleibt. Der Integrator 18 arbeitet in derselben Weise, wie bereits beschrieben, während die in der Dauer Tx angesammelten Zählungen mehr direkt abhängig von der Frequenz der Taktgeber 30 variieren. Sollte Va eine nicht-lineare Antwort auf eine gemessene lineare Funktion sein, werden die endgültigen angesammelten Zählungen deshalb so eingestellt, daß sie eine lineare digitale Darstellung der Messung ergeben.

Wenn beispielsweise andere Taktfrequenzen während der Phase II als in Phase I benutzt werden, bleibt die Konversionszeit trotzdem für eine gegebene Eingangsspannung Va dieselbe, da die Integration denselben Verlauf nimmt. Die während Tx angesammelten Zählungen hängen mehr oder weniger von der Taktfrequenz 30 ab, so daß die angesammelten Zählungen über den Verlauf von Tx in direkter Beziehung zum Wert von Va variiert werden können. Bei Verwendung des vorhergehenden Beispiels und mehrfachem Verändern der Taktfrequenz ist bei einem Multiplikator n=5

Nt = Tn (F₂) + Tn (F₃) + Tn (F₄) + Tn (F₅) + Tn (F₆)

worin

F₁ = die Taktfrequenz bei Tr = 360 kHz
F₂ = die Taktfrequenz bei Tx = 350 kHz
F₃ = die Taktfrequenz bei Tx = 340 kHz
F₄ = die Taktfrequenz bei Tx = 300 kHz
F₅ = die Taktfrequenz bei Tx = 360 kHz
F₆ = die Taktfrequenz bei Tx = 450 kHz

ist.

Nt=21 997 und bei Erreichen der Kreuzung durch den Doppelneigungskonverter ist Tx=0,0366666 sek., wobei drei Korrekturen durchgeführt wurden und die Anzeige abgelassen wird mit 22 000-Tn (F₁+F₂+F₃)=9902 Zählungen.

Im selben Beispiel mit einer konstanten Taktfrequenz ist Tx=0,0611111 und Tn=0,0122222, was ein Nt=21 999 und eine Linearanzeige=22 000-13 200=8800 Zählungen ergibt. Der Vergleich obiger Beispiele zeigt, daß in beiden Fällen die Gesamtzahl im wesentlichen dieselbe ist, aber die nicht lineare Ansammlung bei einem gegebenen Va=Tx um 1102 ansteigt.

Claims

1. Doppelneigungs-Analog-Digital-Konverter zum Liefern eines Digitalausgangssignals, das einem empfangenen Analogsignal entspricht mit einem ersten Eingang zur Aufnahme des zu konvertierenden Spannungssignals, einem zweiten Eingang zur Aufnahme eines festen Bezugssignals, aus dem ein weiteres konstantes Signal V_max abgeleitet wird, mit einem Integrator, dem während einer vorgegebenen Dauer ein erster Signalwert zugeführt wird, welcher der Differenz zwischen dem abgeleiteten konstanten Signal V_max und dem analogen Spannungssignal entspricht und dem nach Ablauf dieser Dauer während einer veränderbaren Dauer ein zweiter Signalwert zugeführt wird, welcher der Differenz zwischen dem konstanten Signal V_max und dem festen Bezugsspannungssignal entspricht, mit einer Vergleichseinrichtung, welcher die Ausgangsspannung des Integrators und die Bezugsspannung zugeführt werden und die eine Signalgebeeinrichtung steuert, welche ihrerseits ein digitales Ausgangssignal abgibt, das aus einer ansammelnden digitalen Zählung abgeleitet ist, die mit der Zeitspanne der veränderbaren Dauer in Beziehung steht.

2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (18) in nicht invertierender Art betrieben wird.

3. Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (20) die veränderbare Dauer proportional zum Wert des am ersten Eingang aufgenommenen Analogsignals verändert.

4. Konverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (18) den ersten Signalwert entgegengesetzt der Polarität des aufgenommenen Bezugsspannungssignals integriert.

5. Konverter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Dauer der Integration ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz ist.

6. Konverter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linearisiereinrichtung verwendet wird, welche einen Taktgeber (30) veränderbarer Frequenz und eine Einrichtung zum Betrieb dieses Taktgebers enthält, der während der vorgegebenen Dauer der Integration bei einer festen Frequenz betrieben wird, die ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz ist, und der während der veränderbaren Zeitdauer mit einer Frequenz betrieben wird, die so gesteuert wird, daß sie sich in regelmäßigen Zeitabständen ändert in Übereinstimmung mit der Abweichung des vom Konverter empfangenen Signals von einer linearen Charakteristik.

7. Konverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearisiereinrichtung einen programmierbaren Nur-Lese-Speicher (PROM) (28) enthält, der so programmiert ist, daß die Taktfrequenz während der veränderbaren Dauer geändert wird.

8. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal das abgegebene Signal eines Wandlers (10) ist.

9. Konverter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (10) einen temperaturempfindlichen Sensor darstellt.

10. Konverter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (10) einen druckempfindlichen Sensor darstellt.

11. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalgebeeinrichtung eine Digitalanzeigeeinrichtung (14) enthält.