AT401985B - Analog-digital-umsetzer - Google Patents

Description

AT 401 985 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung eines langsam veränderlichen Widerstandswertes in einem Analog-Digital-Umsetzer in digitale Werte mit einem Kondensator, der über den veränderlichen Widerstand Zwischen einem durch einen Prozessor vorgegebenen Startzeitpunkt ti und einem Zeitpunkt t"E aufgeladen wird, wobei zum Zeitpunkt tmess eine vorgegebene Ladung erreicht wird und die Zeitdifferenz tmess' ti ein Maß für den Widerstandswert Rmess bildet. Üblicherweise wird ein Analog-Digital-Umsetzer als vollkommen eigenständige, in sich abgeschlossene Baugruppe mit zeit- und wertkontinuierlicher Eingangsgröße und digitalem Ausgangswert ausgelegt. Diese Eingangsgröße ist in der Regel eine Spannung, wodurch dann auch ein hinreichend genaues Spannungsnormal erforderlich wird. Für gewisse Anwendungen steht als Eingangsgröße allerdings lediglich ein Widerstandswert zur Verfügung, der darüber hinaus seinen Wert nur recht langsam verändert. Das trifft insbesondere für Temperaturmessungen, beispielsweise zur Weiterverarbeitung als Regelgröße bei Heizungsanlagen, zu. Dieser Widerstandswert muß dann zuerst in eine Spannung umgesetzt werden, um von dem Analog-Digital-Umsetzerverarbeitet werden zu können. Nachteilig bei herkömmlichen Analog-Digital-Umsetzern ist darüber hinaus, daß intern Prozesse ablaufen, wie beispielsweise Signalpfade selektieren, Zähler inkrementieren, die teilweise von einem meist sowieso nachgeschalteten Prozessor - zumindest für den Fall der Umsetzung hinreichend langsamer Eingangsgrößen - übernommen werden können.

Aus der DE 3 900 782 A1 ist eine Vorrichtung zur Eingabe von Daten in einen Mikroprozessor bekannt. Hierbei wird ein darzustellender Widerstandswert in Reihe mit einem Kondensator geschaltet, wobei die in den Mikroprozessor eingegebene Datengröße die Zeitspanne ist, welche für die Ladung dieses Kondensators benötigt wird, bis ein vorbestimmter Wert seiner Ladung über den Widerstand erreicht ist, wobei der Mikroprozessor diese Zeitspanne in einen Digitalwert umsetzt. Problematisch dabei ist die Bestimmung der entsprechenden Zeitspanne in Abhängigkeit von der Ladung des Kondensators.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analog-Digital-Umsetzer zur Umsetzung eines langsam veränderlichen Widerstandswertes in digitale Werte anzugeben, der sich durch einfachen Aufbau und ein Minimum an Steuerlogik auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Prozessor zum Zeitpunkt tmeSs über einen Komparator, dem die Spannungssignale der Ladekurve UmeSs und eine fest eingestellte Referenzspannung Uref zugeführt sind, ein pulsförmiges Signal empfängt. Auf diese Weise entsteht ein schaltungstechnisch einfach aufgebauter Analog-Digital-Umsetzer, bei dem die Digitalisierung weitgehend von einem ohnehin vorhandenen Prozessor durchgeführt wird. Dazu ermittelt der Prozessor die Zeitdifferenz tmeSs - ti und ordnet dieser einen digitalen Wert zu.

Um sowohl von der Versorgungsspannung als auch von den Exemplarstreuungen des Kondensators sowie von Temperatureinflüssen unabhängig zu werden, ist entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Kondensator über einen bekannten Widerstand Rn0rm zwischen einem vorgegebenen Startzeitpunkt to und einem Zeitpunkt t'E aufgeladen wird, wobei die Ladekurve Unorm zum Zeitpunkt tnorm die Referenzspannung Uref schneidet und für den Widerstandswert RmeSs gilt: ^ess 7 7“ ^orm t1] tnorm ” **0

Die Ermittlung der Wertepaare ti, tmess und to, tnorm kann mit der gleichen Komparatorbaugruppe abwechselnd erfolgen. Es ist aber auch möglich, nur die Ermittlung des Wertepaares ti, tmess in konstanten, der zu erwartenden Änderungsgeschwindigkeit des Widerstands Rmess angepaßten Zeitabständen zu wiederholen und das Wertepaar to, tnorm über einen gewissen Zeitraum als gleichbleibend vorauszusetzen.

Der von störenden Parametern bereinigte Widerstandswert wird bei Verwendung eines Prozessors und bereits ermitteltem ersten Wertepaar ti, tmess dadurch ermittelt, daß der Prozessor den Startzeitpunkt to vorgibt, zum Zeitpunkt tnorm über den Komparator, dem die Spannungssignale der Ladekurve Un0rm und die Referenzspannung Uret zugeführt sind, eine Signalflanke empfängt, den Widerstandswert Rmess gemäß obiger Formel [1] bildet und diesem einen digitalen Wert zuordnet.

Zur Ermittlung der Zeitdifferenzen tmeSs - ti und tnorm - to ist bevorzugt ein Zähler vorgesehen, der zum Startzeitpunkt ti beziehungsweise to aktiviert und zum Zeitpunkt tmess beziehungsweise tn0rm rückgesetzt wird, wobei der Zählstand bei tmess beziehungsweise tn0rm zur Ermittlung des Digitalwertes dient. Der Zählstand steht dabei für die Zeitdifferenz, das heißt für das entsprechende Wertepaar.

Der langsam veränderliche Widerstand, dessen Widerstandskurve zu digitalisieren ist, kann beispielsweise ein temperaturabhängiger Fühlerwiderstand des Reglers einer Heizungsanlage sein. Da die Regelvor- 2

AT 401 985 B gänge einer modernen Heizungsanlage außerordentlich komplex sind, kommt der Regler kaum noch ohne Mikroprozessor aus. Der an sich für die Signalweiterverarbeitung vorgesehene Mikroprozessor kann ohne weiteres auch die oben beschriebene Digitalisierungsfunktion übernehmen, so daß eine externe Logik entfällt. Da nennenswerter Energiebedarf nur besteht, wenn tatsächlich eine Umsetzung erfolgt, ist der oben 5 beschriebene Analog-Digital-Umsetzer gerade für niedrige Versorgungsspannungen, zum Beispiel Batterieversorgung, problemlos einsetzbar. Da eine Umsetzung aber nur zu diskreten - der Temperaturänderungsgeschwindigkeit angemessenen - Zeiten der Fall ist, resultiert ein entsprechend geringer Stromverbrauch. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei Verwendung eines bekannten Widerstandes Rnorm - quasi zur Eichung - auch keine langzeitstabile Spannungsreferenz erforderlich ist. Infolgedessen können je nach der io geforderten Auflösung Standardbauteile Verwendung finden.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen beziehungsweise werden nachfolgend zusammen mit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt.

Es zeigen: 75 Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzers,

Figur 2 Signalverläufe und

Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzers.

Der Umsetzer gemäß Figur 1 besteht im wesentlichen aus Hardware- und Software-Bestandteilen eines Prozessors 1, einem Kondensator 2, einem Widerstand Rmess 3, dessen Wert zu digitalisieren ist und zu 20 dem ein bekannter Widerstand Rn0rm 4 parallelliegt und der wie der Widerstand Rn0rm 4 mit der Kollektorseite eines Transistors 5 beziehungsweise 6 verbunden ist, wobei die beiden Transistoren 5 und 6 jeweils über Signalpfade 7 und 8, die vom Prozessor 1 ausgehen, ansteuerbar sind. Der Kondensator 2 ist aufladeseitig mit einem Komparator 9 verbunden. Den anderen Eingang des Komparators 9 bildet ein Spannungsteiler 10 zur Referenzspannungserzeugung. Ein Oder-Gatter 11 liegt zwischen den Signalpfaden 7 und 8 und der 25 Basis eines weiteren Transistors 12. Dieser Transistor 12 verbindet strömlaufmäBig eine Betriebsspannungsquelle 13 mit dem Komparator 9 sowie dem Spannungsteiler 10 und der Basis eines Transistors 14, welcher wiederum kollektorseitig mit der Basis eines Transistors 15 verbunden ist. Dem Stromlauf dieses Transistors 15 ist der bekannte Widerstand R„orm 4 mit dessen Schalttransistor 6 vorgeschaltet. Zur Rückverbindung zum Prozessor 1 ist ein vom Signalausgang des Komparators 9 ausgehender Signalpfad 30 16 vorgesehen.

Nachfolgend wird die Funktion der Schaltung gemäß Figur 1 unter Zuhilfenahme der Diagramme der Figur 2 näher erläutert.

Der Analog-Digital-Umsetzvorgang läßt sich in vier Abschnitte einteilen: 1. Vergleichs- beziehungsweise Eichmessung (tn0rin) 35 2. Kondensator entladen 3. Widerstandsmessung (tmess -> Rmess) 4. Kondensator entladen

Die unter 1. genannte Vergleichs- beziehungsweise Eichmessung wird zum Zeitpunkt to/Figur 2 gestartet. Dazu legt der Prozessor 1 das Erregersignal 17/Figur 2 auf "low". Über den Signalpfad 8 wird der 40 Transistor 6 durchgesteuert und lädt über den für diesen Vergleichszweck hinreichend genau bekannten oder abgeglichenen Widerstand Rn0rm 4 den Kondensator 2. Geichzeitig wird über einen Pfad des Oder-Gatters 11 der Transistor 12 aufgesteuert und versorgt den Komparator 9 und die Referenzspannungserzeugung 10 mit der Betriebsspannung 13. Das Kollektorsignal dieses Transistors 12 wird mittels des Transistors 14 invertiert und auf den Transistor 15 gegeben, so daß dieser während der gesamten Dauer t2 -45 to/Figur 2 der Vergleichs- beziehungsweise Eichmessung sperrt. Während dieser Phase lädt sich der Kondensator 2 über den Widerstand Rnorm 4 auf. Am Kondensator 2 ergibt sich die Ladekurve 18/Figur 2 mit dem Spannungsverlauf Unorm· Der Komparator 9 vergleicht diesen Spannungsverlauf mit der Referenzspannung Urei am Spannungsteiler 10. Zum Zeitpunkt tn0rm/Figur 2, an dem beide Spannungen übereinstimmen, generiert der Komparator 9 eine Signalflanke 20, die über den Signalpfad 16 auf den Prozessor 1 so gegeben wird. Der Prozessor 1 startet zum Zeitpunkt to einen Zähler, der mit der Signalflanke 20/Figur 2 zum Zeitpunkt tnorm gestoppt wird. Der Zählerstand Nnor,n : tnorm - to wird später zur Berechnung des Widerstandswertes Rmess mitbenutzt.

In der zweiten Phase, in der der Kondensator 2 entladen wird, schaltet zunächst der Prozessor 1 das Erregersignal 17/Figur 2 zum Zeitpunkt t'E auf "high". Dadurch sperrt der Transistor 12 und kann folglich 55 den nachgeschalteten Transistor 14 nicht mehr leitend ansteuern, so daß der diesem Transistor 14 nachgeschaltete Transistor 15 jetzt durchgeschaltet wird. Über diesen Transistor 15 wird der Kondensator 2 mit einer steil abfallenden Spannungskurve 21 wieder entladen. Diese Entladung ist notwendig, um in der dritten Phase gleiche Anfangsbedingungen zu haben wie in der ersten Phase. 3

Claims (6)

1. ΑΤ 401 985 Β Die dritte und vierte Phase laufen sinngemäß wie die erste und zweite ab mit dem Unterschied, daß der Kondensator 2 nun über den Signalpfad 7, den Transistor 5 und den zu messenden Widerstand Rmess 3 aufgeladen wird. Die Steigung der resultierenden Ladekurve 22/Figur 2 - und damit die Zeit tmess - ti - sind proportional dem Widerstandswert RmeSs· Auch während der dritten Phase wird ein Zähler inkrementiert. Sein Inhalt am Ende der dritten Phase ist Nmess: tmess - ti. Nach Abschluß der vierten Phase errechnet der Prozessor 1 nach folgender Formel den Wert des zu messenden Widerstandes: ^ness = Nnorm ’ Rnorm Diesem Meßwert Rmess kann der Prozessor 1 problemlos einen digitalen Wert zuordnen. Bei dem in Figur 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analog-Digital-Umsetzung langsam veränderlicher Widerstandswerte ist eine Schaltung dargestellt, bei der der Prozessor noch weiter ausgenutzt wird, so daß noch weitere Hardware-Komponenten der prozessorexternen Bauteile des A/D-Umsetzers entfallen können. Das betrifft zum einen das Oder-Gatter, welches dadurch entfallen kann, daß der Prozessor 1 bereits die richtigen Ansteuersignale für den Transistor 12, der den Komparator 9 und den Spannungsteiler 10 für die Referenzspannung Urel phasenweise mit der Betriebsspannungsquelle 13 verbindet, erzeugt. Diese Ansteuersignale werden über einen weiteren Signalpfad 24 von dem Prozessor 1 auf die Basis des Transistors 12 gegeben. Auch der Transistor 14 der Figur 1 zur Signalinvertierung und Ansteuerung des Entladetransistors 15 kann entfallen, wenn der Transistor 15 direkt vom Prozessor 1 über einen Signalpfad 23 in den Phasen 2 und 4, das heißt zur Kondensatorentladung, leitfähig angesteuert wird. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders geartetem Aufbau von der Erfindung Gebrauch machen. Insbesondere beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Realisierung mit diskreten logischen Baugruppen, sondern läßt sich vorteilhaft auch mit integrierten Schaltungskomponenten realisieren. Patentansprüche 1. Verfahren zur Umsetzung eines langsam veränderlichen Widerstandswertes in einem Analog-Digital-Umsetzer in digitale Werte, mit einem Kondensator, der über den veränderlichen Widerstand zwischen einem durch einen Prozessor vorgegebenen Startzeitpunkt ti und einem Zeitpunkt t"E aufgeladen wird, wobei zum Zeitpunkt tmess eine vorgegebene Ladung erreicht wird und die Zeitdifferenz tmess - ti ein Maß für den Widerstandswert Rmess bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (1) zum Zeitpunkt tmeSs über einen Komparator (9), dem die Spannungssignale der Ladekurve UmeSs (22) und eine fest eingestellte Referenzspannung Uref (19) zugeführt sind, ein pulsförmiges Signal empfängt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (1) die Zeitdifferenz tmeSs * ti ermittelt und dieser einen digitalen Wert zuordnet.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) über einen bekannten Widerstand Rnorm (“♦) zwischen einem vorgegebenen Startzeitpunkt tc und einem Zeitpunkt t'E aufgeladen wird, wobei die Ladekurve Unorrn (18) zum Zeitpunkt tnorm die Referenzspannung Urei (19) schneidet und für den Widerstandswert RmeSs gilt: _ tmess tl . 0 nmess “ ~ _ Rnorm ^norin tO
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (1) den Startzeitpunkt to vorgibt, zum Zeitpunkt tnorn> über den Komparator (9), dem die Spannungssignale der Ladekurve Un0rm (18) und die Referenzspannung Uret (4) zugeführt sind, ein impulsförmiges Signal (20) 4 AT 401 985 B emfängt, den Widerstandswert Rmess gemäß Anspruch 3 bildet und diesem einen digitalen Wert zuordnet.
5. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler vorgesehen ist, der zum Startzeitpunkt ti beziehungsweise to aktiviert und zum Zeitpunkt tmeSs beziehungsweise tn0rm rückgesetzt wird, wobei der Zählstand bei tmess beziehungsweise tnorm zur Ermittlung des Digitalwertes dient.
6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der langsam veränderliche Widerstand (3) ein temperaturabhängiger Fühlerwiderstand eines Reglers einer Heizungsanlage ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 5