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Digital-Analog-Wandler
In zunehmendem Masse finden digitale Messmethoden in der Technik Anwendung, da sich höhere Mess- und Anzeigegenauigkeiten mit relativ geringem Aufwand erreichen lassen. Um die zu messenden
Grössen in digitale Grössen umzuformen, sind sogenannte Analog-Digital-Wandler erforderlich. Umgekehrt sind zur Erzielung eines analogen Messergebnisses bzw. Anzeigewertes Digital-Analog-Wandler erforderlich.
Fig. 1 zeigt die Prinzipdarstellung eines an sich bekannten Digital-Analog-Wandlers. Dort wird eine zweistellige Dezimalzahl N unter binärer Verschlüsselung jeder Dezimalstelle in eine analoge Spannung
Ur umgeformt. Die einzelnen Ausgänge des digitalen Gerätes, d. h. die mit "n" bezeichneten Kästchen, nehmen hiebei, wie üblich, nur die beiden Zustände 0 oder L ein. Darunter wird verstanden, dass am
Ausgang entweder keine Spannung oder eine bestimmte Spannung vorhanden ist. Vielfach werden auch die Zustände 0 und L mit "nein" und "ja" bezeichnet. Die mit n bezeichneten Kästchen können bei- spielsweise jeweils einen einer Teilzahl n zugeordneten Relaiskontakt oder Transistorschalter enthalten,
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einem gemeinsamen Widerstand r eine der digital verschlüsselten Eingangszahl N proportionale Spannung Ur erzeugen.
Die nachstehenden Bewertungswiderstände rn sind dabei in ihrem Ohmwert umgekehrt proportional der jeweiligen Teilzahl n ausgelegt, d. h. in Anlehnung an die Fig. l. wie folgt :
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Bei dieser Auslegung ergibt sich die in Fig. 2 dargestellte Proportionalität zwischen der analogen Ausgangsspannung Ur zur digital verschlüsselten Eingangszahl N.
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FürbestimmteAnwendungszwecke, beispielsweise ftir die Lageregelung von Maschinenteilen, ist eine nichtlineare Zuordnung von Eingangs- und Ausgangsgrössen erwünscht. Dabei versagt das mit der Fig. 1 beschriebene Verfahren, sofern keine weiteren Mittel zum Einsatz kommen. Wenn man beispielsweise eine proportionale Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ur von dem Wurzelbetrag der Eingangszahl N erhalten will und die Bewertungswiderstände r in Fig. 1 gemäss
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stufen würde, so erhielte man die in Fig. 3 dargestellte ungünstige Kurve b. Diese Kurve würde bei einer Lageregelung eines Maschinenteiles eine zu hohe Einlaufgeschwindigkeit in die vorgegebene Lage ergeben, da der Abbremsvorgang verzögert wird. Das zulässige Spitzenmoment des Antriebes des Maschinenteiles würde überschritten werden.
Wenn jedoch eine Einrichtung zur selbsttätigen Begrenzung des Spitzenmomentes bzw. der Stromaufnahme des Antriebes vorgesehen ist, so würde der Antrieb nicht mehr der Kurve b folgen können und ein in vielenFällen unzulässiges Überschwingen des Maschinenteiles über die vorgegebene Lage wäre die Folge. Erwünscht ist daher ein parabelförmiger Verlauf gemäss der gestrichelt gezeichneten Kurve a, bei dem ein bestimmtes Verzögerungsmoment weitgehend eingehalten wird.
An sich ist es bereits bekannt, bestimmte Abhängigkeiten über sogenannte Funktionsgeneratoren zu erzeugen. Diese enthalten vorgespannte Ventilstrecken, die je nach der angelegten Spannung zur Wirkung
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mit einer feinstufige Änderung des zu wandelnden Zahlenwertes, kommen diese Funktionsgeber nicht mehr in Betracht. Darüber hinaus wird ihr Leistungsbedarf relativ gross.
Die Erfindung betrifft nun einen Digital-Analog-Wandler mit nichtlinearem Zusammenhang zwi- schen Eingangs-und Ausgangswert, bei dem ein durch elektrische Grössen dargestellter Messwert in digitaler Form durch vorzugsweise binär gestufte Teilzahlen vorliegt. Erfindungsgemäss sind in an sich bekannter Weise für einen aus mehreren Teilzahlen gebildeten Messwert die den Teilzahlen entsprechenden Bewer- tungswiderständegemeinsammiteinemAusgangskreis verbunden, ferner sind die einzelnen Bewertungswiderstände ausserdem in Abhängigkeit von dem nichtlinearen Zusammenhang bemessen und sind Torschaltungen vorgesehen, die nur die der höchsten Teilzahl entsprechende elektrische Grösse über den zugehörigen Bewertungswiderstand zum Ausgangskreis leiten.
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt an Hand der Fig. 4 - 7.
In Fig. 4 ist ein Beispiel eines Digital-Analog-Wandlers nach der Erfindung dargestellt. Der sich ergebende Kurvenverlauf ist unter c in Fig. 5 dargestellt. Dieser Verlauf ist für die Anwendung in Steuerund Regeleinrichtungen günstiger als der gemäss Kurve b in Fig. 3, da ein Überschwingen über den End- wert (imKoordinatennullpunkt) nichtauftretenkann. Die nach unten hin auftretenden Sprünge werden von Trägheiten oder Begrenzungseinrichtungen aufgefangen.
Die mit"n"bezeichneten Kästchen können, wie schon zu Fig. 1 erläutert, beispielsweise'jeweils einen Relaiskontakt oder einen Transistorschalter enthalten. Dieser ist einer Teilzahl n zugeordnet und legt bei Betätigung den zugehörigen Bewertungswiderstand rn an negatives Potential. Die Bewertungswi-
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bei berücksichtigt werden. Die Transistoren T l... T 7 arbeiten in Verbindung mit Dioden als Torschaltungen, d. h. als Schalteinrichtungen, um den gewünschten Kurvenverlauf c (in Fig. 5) zu erzielen. Es kommt immer nur der Bewertungswiderstand r, der der höchsten angesteuerten Teilzahl zugeordnet ist (in Fig. 4 die am weitesten links befindliche und gleichzeitig angesteuerte Teilzahl n), zur Wirkung.
Die Teilzahlen niedrigerer Wertigkeit werden dagegen für den Ausgang, d. h. den Widerstand r, unwirksam gemacht. Hiedurch wird erreicht, dass die in Fig. 5 gezeigte Kurve c auch nicht teilweise über der Kurve a liegt.
Soll beispielsweise die Zahl N = 87 in eine analoge Spannung U umgeformt werden, so werden die Teilzahlen 80,4, 2 und 1 angesteuert, d. h. diese haben den meist durch eine negative Spannung dargestellten Wert L, und die übrigen Teilzahlen den Wert O. Durch die erfindungsgemässen Schalteinrichtungen kommt nur die Teilzahl 80 am Ausgang (mit dem Widerstand r) zur Wirkung. Der Transistor T 7 wird nämlich über den Widerstand R 1 voll geöffnet, so dass der Kollektor des Transistors praktisch auf Nullpotential liegt. Der von der Teilzahl 4 über den Bewertungswiderstand r4 erzeugte Strom fliesst über die Dioden 13... D 16 sowie die Diode D 27 und den Transistor T 7 zum Nullpotential ab. Über den Bei werfungswiderstand r der Teilzahl 80 und den Ausgangswiderstand r fliesst ein Strom, der die negative Spannung U erzeugt.
Hiedurch ist die Diode D 17 in Sperrichtung vorgespannt, so dass mit zusätzlicher Sicherheit von der Teilzahl 4 her kein Bewertungsstrom zum Ausgangswiderstand r gelangen kann.
Mit Ausnahme der Teilzahl 1 sind den übrigen Teilzahlen entsprechende Schalteinrichtungen zugeordnet, die die Dioden D 11... D 16, D 21... D 26 und die Transistoren Tri... T 6 enthalten. Die Widerstände R 2 dienen dazu, durch positive Vorspannung der Basen der Transistoren mit Hilfe der SpannungUB eine sichere Sperrung der Transistoren zu bewirken. Die Widerstände R 3 bewirken das gewünschte Schaltverhalten der Transistoren an den Dioden D 21... D 27. Der erste Spannungssprung, der dem Wert der Teilzahl 1 entspricht, ist zweckmässig so gross gewählt, dass die Rest- bzw. Schwellspannungen der Transistoren und Dioden vernachlässigbar sind.
Zu dem mit der Zahl 87 gewählten Beispiel ist noch zu bemerken, dass der Teilzahlenwert 2 über den mit der Teilzahl T 4 ausgesteuerten Transistor T 2 und der Teilzahlenwert l über den mit der Teilzahl 2 ausgesteuerten Transistor T 1 abfliessen können.
Eine Schaltungsanordnung, die einen etwas geringeren Aufwand erfordert als die in Fig. 4 gezeigte, ist in Fig. 6 dargestellt. Hier sind immer zwei Teilzahlenwerte zusammengefasst, die auf einen gemeinsamen Bewertungswiderstand einwirken. So haben die Teilzahlen 1 und 2 den gemeinsamen Bewertungwiderstand r, und die Teilzahlen 40 und 80 den gemeinsamen Bewertungswiderstand r.. Demgemäss ist auch für jeweils zwei Teilzahlen eine gemeinsame Torschaltung vorgesehen. In dem gewählten Ausführungsbeispiel sind drei Torschaltungen mit den Transistoren T 1 - T 3, D 21 - D 23 und D 11 - D 13 vorhanden. Hinsichtlich der sonstigen Bedingungen stimmen die Gegenstände der Fig. 4 und 6 überein.
Der etwas ungenauere Kurvenverlauf, wie er in Fig. 7 unter d dargestellt ist, reicht für viele Probleme aus.
Abschliessend sei noch darauf hingewiesen, dass zweckmässig die Bewertungswiderstände rn, d. h. r... r, zur besseren Einjustierung als Potentiometer ausgebildet sind.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Digital-Analog-Wandler mit nichtlinearem Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangswert, bei dem ein durch elektrische Grössen dargestellter Messwert in digitaler Form durch vorzugsweise binär gestufte Teilzahlen vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise für einen aus mehreren Teilzahlen (n) gebildeten Messwert (N) die den Teilzahlen entsprechenden Bewertungswiderstände (rn) gemeinsam mit einem Ausgangskreis verbunden sind, dass die einzelnen Bewertungswiderstände ausserdem in Abhängigkeit von dem nichtlinearen Zusammenhang bemessen sind, und dass Torschaltungen vorgesehen sind, die nur die der höchsten Teilzahl (n) entsprechende elektrische Grösse über den zugehörigen Bewertungswiderstand zum Ausgangskreis leiten.
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Digital-to-analog converter
Digital measurement methods are increasingly being used in technology, since higher measurement and display accuracies can be achieved with relatively little effort. To be measured
So-called analog-to-digital converters are required to convert quantities into digital quantities. Conversely, digital-to-analog converters are required to achieve an analog measurement result or display value.
1 shows the basic diagram of a digital-to-analog converter known per se. There a two-digit decimal number N is converted into an analog voltage with binary encryption of each decimal place
Ur reshaped. The individual outputs of the digital device, i. H. the boxes marked with "n" take on only the two states 0 or L, as usual. This means that on
Output either no voltage or a certain voltage is present. The states 0 and L are often referred to as "no" and "yes". The boxes labeled n can, for example, each contain a relay contact or transistor switch assigned to a partial number n,
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a common resistor r to generate a voltage Ur proportional to the digitally encoded input number N.
The following evaluation resistors rn are designed in their ohmic value inversely proportional to the respective partial number n, i.e. H. based on FIG. as follows :
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With this design, the proportionality shown in FIG. 2 results between the analog output voltage Ur and the digitally encoded input number N.
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For certain applications, for example for the position control of machine parts, a non-linear assignment of input and output variables is desirable. The method described with FIG. 1 fails if no further means are used. If, for example, one wants to obtain a proportional dependence of the output voltage Ur on the square root of the input number N and the evaluation resistances r in FIG
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would step, the unfavorable curve b shown in FIG. 3 would be obtained. In the case of a position control of a machine part, this curve would result in too high a run-in speed into the specified position, since the braking process is delayed. The permissible peak torque of the drive of the machine part would be exceeded.
However, if a device for the automatic limitation of the peak torque or the power consumption of the drive is provided, the drive would no longer be able to follow curve b and, in many cases, the machine part would overshoot the predetermined position, which would be impermissible. A parabolic course according to curve a shown in dashed lines, in which a specific deceleration torque is largely maintained, is therefore desired.
It is already known per se to generate certain dependencies using so-called function generators. These contain pre-stressed valve sections that take effect depending on the voltage applied
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with a finely graded change of the numerical value to be converted, these function generators are no longer considered. In addition, their power requirements are relatively large.
The invention now relates to a digital-to-analog converter with a non-linear relationship between the input and output values, in which a measured value represented by electrical quantities is present in digital form, preferably in binary stepped partial numbers. According to the invention, for a measured value formed from several partial numbers, the evaluation resistances corresponding to the partial numbers are jointly connected to an output circuit; furthermore, the individual evaluation resistors are also measured depending on the non-linear relationship and gate circuits are provided that only have the electrical quantity corresponding to the highest partial number Lead to the output circuit via the associated evaluation resistor.
The invention is explained further with reference to FIGS. 4-7.
In Fig. 4 an example of a digital-to-analog converter according to the invention is shown. The resulting curve is shown under c in FIG. 5. This course is more favorable for use in open-loop and closed-loop control devices than that according to curve b in FIG. 3, since an overshoot above the end value (in the coordinate zero point) cannot occur. The jumps occurring downward are absorbed by inertia or limiting devices.
As already explained with reference to FIG. 1, the boxes labeled "n" can each contain, for example, a relay contact or a transistor switch. This is assigned to a partial number n and, when actuated, applies the associated evaluation resistor rn to negative potential. The evaluation
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to be taken into account. The transistors T 1 ... T 7 work in conjunction with diodes as gate circuits, d. H. as switching devices to achieve the desired curve shape c (in Fig. 5). Only the evaluation resistor r, which is assigned to the highest activated partial number (in FIG. 4 the furthest left and simultaneously activated partial number n), comes into effect.
The partial numbers of lower valence, however, are used for the output, i. H. the resistance r, made ineffective. This ensures that curve c shown in FIG. 5 does not lie partially above curve a either.
If, for example, the number N = 87 is to be converted into an analog voltage U, the partial numbers 80, 4, 2 and 1 are activated, i.e. H. these have the value L, usually represented by a negative voltage, and the other partial numbers have the value O. With the switching devices according to the invention, only the partial number 80 comes into effect at the output (with the resistor r). The transistor T 7 is namely fully opened via the resistor R 1, so that the collector of the transistor is practically at zero potential. The current generated by the partial number 4 via the evaluation resistor r4 flows through the diodes 13 ... D 16 as well as the diode D 27 and the transistor T 7 to zero potential. A current flows through the throwing resistance r of the partial number 80 and the output resistance r, which generates the negative voltage U.
As a result, the diode D 17 is biased in the reverse direction, so that, with additional security, no evaluation current can reach the output resistance r from the partial number 4.
With the exception of the partial number 1, the other partial numbers are assigned corresponding switching devices which contain the diodes D 11 ... D 16, D 21 ... D 26 and the transistors Tri ... T 6. The resistors R 2 serve to bring about a safe blocking of the transistors by positive biasing of the bases of the transistors with the help of the voltage UB. The resistors R 3 cause the desired switching behavior of the transistors at the diodes D 21 ... D 27. The first voltage jump, which corresponds to the value of the partial number 1, is expediently chosen so large that the residual or threshold voltages of the transistors and diodes are negligible.
Regarding the example chosen with the number 87, it should also be noted that the partial number value 2 can flow off via the transistor T 2 controlled with the partial number T 4 and the partial number value 1 via the transistor T 1 controlled with the partial number 2.
A circuit arrangement which requires somewhat less effort than that shown in FIG. 4 is shown in FIG. 6. Here two partial numerical values are always combined, which act on a common evaluation resistance. The partial numbers 1 and 2 have the common evaluation resistance r, and the partial numbers 40 and 80 have the common evaluation resistance r .. Accordingly, a common gate circuit is also provided for every two partial numbers. In the selected exemplary embodiment, there are three gate circuits with the transistors T 1 - T 3, D 21 - D 23 and D 11 - D 13. With regard to the other conditions, the objects of FIGS. 4 and 6 correspond.
The somewhat less precise curve, as shown in Fig. 7 under d, is sufficient for many problems.
Finally, it should be pointed out that the evaluation resistances rn, i. H. r ... r, are designed as potentiometers for better adjustment.
PATENT CLAIMS: 1. Digital-to-analog converter with a non-linear relationship between input and output value, in which a measured value represented by electrical quantities is present in digital form by preferably binary graded partial numbers, characterized in that in a known manner for one of several partial numbers (n) formed measured value (N) the evaluation resistors (rn) corresponding to the partial numbers are jointly connected to an output circuit, that the individual evaluation resistors are also measured depending on the non-linear relationship, and that gate circuits are provided that only include those of the highest partial number ( n) route the corresponding electrical quantity to the output circuit via the associated evaluation resistor.