CH617510A5

CH617510A5 -

Info

Publication number: CH617510A5
Application number: CH1123777A
Authority: CH
Inventors: Emil Reut
Original assignee: Gretag Ag
Priority date: 1977-09-14
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1980-05-30
Also published as: IT7851073A0; GB2005501A; DE2839694A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Messverstärker mit digitalem Ausgang, bestehend aus einem Vorverstärker mit umschaltbarem Verstärkungsgrad und einem Analog-Digital-Wandler, und ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorverstärker und dem A/D-Wandler ein integrierender Verstärker mit stufenweise umschaltbaren Integrationszeiten eingeschaltet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Messverstärkers und

Fig. 2 Impulsdiagramme zur Funktionserläuterung.

Der Messverstärker gemäss Fig. 1 setzt sich im wesentlichen zusammen aus einem Vorverstärker 1, einem Integrierverstärker 11, einem Komparator 20, einer Integrierzeit-Steuerlogik 12 und einem Analog-Digital-Wandler 22. Die digitalen Ausgangssignale des Messverstärkers sind einem mit |iC bezeichneten Mikroprozessor zur weiteren Verarbeitung zugeführt.

Der Vorverstärker enthält einen Operationsverstärker la, der mit Widerständen 2,3,4,5 und 6 beschaltet ist, von denen der Widerstand 6 fix an Masse liegt, während die Widerstände 4 und 5 mit Hilfe von Schaltern 7 und 8 an Masse gelegt werden können. Die Widerstände 2,3,4,5 und 6 sind so dimensioniert, dass sich bei offenen Schaltern 7 und 8 eine Grundverstärkung v. z.B. 100 mV/[iA ergibt. Wenn Schalter 8 allein geschlossen ist, erhöht sich die Vorverstärkung um einen Faktor 23, und wenn beide Schalter geschlossen sind, um einen Faktor 26. Zur Umschaltung der Verstärkung ist eine Messbereichvorwahlstufe ; 9a vorgesehen, welche eine Logikstufe 9 ansteuert, die ihrerseits die Schalter 7 und 8 betätigt und an Leitungen 10 der gewählten Verstärkung entsprechende logische Ausgangssignale erzeugt. Diese Ausgangssignale stellen einen Teil der Exponenten des digitalisierten Messignals dar. Die Mantisse wird vom A/D-) Wandler erzeugt. Der andere Teil der Exponenten wird vom Integrierverstärker gebildet.

Der Integrierverstärker 11 umfasst einen Operationsverstärker 17, der mit einem Kondensator 18 beschaltet ist. Letzterer ist mit einem Schalter 16, der von einer Schaltstufe 16a ï gesteuert ist, überbrückt. Der invertierende Eingang des Verstärkers ist mit zwei Schaltern 14 und 15 beschaltet, welche von einer Schaltstufe 14a gesteuert werden.

Die Integrierzeit-Steuerlogik 12 besteht im wesentlichen aus einem Binärzähler und einem Und-Tor sowie diversen 2o weiteren Gattern.

Im folgenden wird die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Schaltung anhand der Impulsdiagramme gemäss Fig. 2 beschrieben. Zeile a von Fig. 2 zeigt der Steuerlogik 12 über deren Eingang 12a zugeführte Taktimpulse (lmsec).

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Zeile b zeigt einen Startimpuls, welcher über Eingang 13 der Steuerlogik 12 den Messvörgang auslöst. Zeilen c, d u. e zeigen die Schaltzustände der Schalter 16,14 u. 15. In Zeile f) ist der zeitliche Verlauf der Spannung am Ausgang 19 des Integrier-Ki Verstärkers sowie die Referenz-Spannung am Eingang 20b des Komparators 20 dargestellt. Zeile g) zeigt das logische Signal am Ausgang 20c des Komparators 20. Zeile h) zeigt Zeitimpulse, welche nach 4,8,16,32 bzw. 64 ms in der Integrierzeit-Steuerlogik 12 erzeugt werden. Zeile i) zeigt das logische Aus-gangssignal des in der Steuerlogik 12 enthaltenen Und-Tores. Zeilen j, k, 1 u. m zeigen die logischen Signale auf den Leitungen 23 (Exponenten). Zeile n) zeigt das logische Signal am Ausgang 21 der Steuerstufe. Zeile o) zeigt den logischen Zustand am Ausgang 28 (BUSY) des A/D-Wandlers 22 u. damit den 4» Zustand des Wandlers selbst.

Es sind im Verlauf des ganzen Messvorganges verschiedene, typische Phasen unterscheidbar:

Vor dem Zeitpunkt I ist die Vorbereitungsphase, zwischen den Zeitpunkten I u. II die Nullstellphase (RESET), zwischen 45 den Zeitpunkten II u. III die Integrationsphase, und zwischen den Zeitpunkten III u. IV die Wandlungsphase.

Ein Startimpuls auf den Eingang 13 der Steuerstufe 12 löst folgenden Ablauf aus:

Der in der Stufe enthaltene Zähler wird auf Null gestellt, so Schalter 16 kurzzeitig geschlossen und dadurch der Kondensator 18 entladen. Gleichzeitig mit dem Wiederöffnen von Schalter 16 wird Schalter 14 geschlossen und Schalter 15 geöffnet sowie der Zähler für den Taktgeber- Impuls (Zeile a) freigegeben. Mit Beginn der Integrationsphase steigt die Spannung am 55 Ausgang 19 stetig an mit einer Steilheit, welche dem Eingangssignal proportional ist (Zeile f). Der Zähler generiert nach 4,8, 16,32 und 64 ms kurze Impulse (Zeile h), welche über das in der Steuerstufe 12 enthaltene Und-Tor mit dem Ausgang des Komparators 20 (Zeile g) verglichen werden. Sobald nun die mi Spannung am Ausgang 19 des Integrierverstärkers 11 (Zeile f) eine an dem einen Eingang des Komparators 20 anliegende Referenzspannung erreicht (Zeile f), entsteht am Komparator-ausgang eine logische 1 (Zeile g), was bei der nächsten Zeitmarke (im vorliegenden Beispiel bei 8 ms) das Und-Tor anspre-<>5 chen lässt, die Integration abbricht und über die Leitung 21 die A/D-Wandlung startet.

D abei wird der Schalter 14 wieder geöffnet und der Schalter 15 geschlossen (Zeilen d, e), der Zähler vom Taktgeber abge-

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trennt und der Ausgang 21 auf Null gesetzt (Zeile n). Letzteres Es wäre auch denkbar, mit dem 13. Bit über die Logikstufe bedeutet für den A/D-Wandel das Signal mit der Wandlung zu 9 (jje Vorverstärkung automatisch zu reduzieren. Dies hätte beginnen. Da die Höhe des Ausgangssignals des Integrierver- jedoch den Nachteil, dass man mindestens die Zeit für einen stärkers von der eingestellten Integrationszeit abhängt, bildet ganzen Messablauf, oder, falls die Verstärkungsreduktion im letztere ein Mass für die Grössenordnung des zu messenden 5 ersten Schritt ungenügend ist, sogar für 2 Messabläufe verlieren

Signals. Die Integrationszeit kann daher als Exponent einer würde.

Exponenten-Darstellung ausgenutzt werden. Die den einzelnen Aus diesem Grunde ist für Messanwendungen ohne starre

Integrationszeiten entsprechenden Exponenten werden durch Bereichsvorwahl eine mit Hilfe zweier weiterer Komparatorén logische Einsen auf je einer der Leitungen 23 angezeigt (Zeilen 24 und 25 arbeitende automatische Vorwahl vorgesehen. In der j-m)- m Vorbereitungsphase wird vorerst mit mittlerer Verstärkung

Sobald die Wandlung beendet ist, erscheint am Ausgang 28 gemessen, d.h. Schalter 8 geschlossen, Schalter 7 geöffnet. Falls des A/D-Wandlers 22 wieder eine logische Null und der Mikro- sich nun am Ausgang 27 des Vorverstärkers eine Spannung

Prozessor beginnt über die Leitungen 10,23 und 26 Mantisse ergeben sollte, welche höher ist als eine passend gewählte und Exponenten abzufragen. Falls die Spannung am Ausgang Referenzspannung am Komparator 24, so spricht dieser an und

19 (Zeile f) innert 4 ms (Zeile h) nicht genügend angestiegen ist, 15 bewirkt über die Logikstufe 9 das Schliessen des Schalters 7,

um den Komparator 20 zum Ansprechen zu bringen, so wird die was eine Verstärkungsreduktion um z.B. einen Faktor 2? zur

Integrationszeit auf 8 ms verlängert bzw. auf 16,32 oder 64 ms Folge hat.

(Zeile h). Am Ende jeder Integrationszeit prüft das Und-Tor, Im anderen Fall, wenn sich mit mittlerer Verstärkung am ob der Komparator 20 angesprochen hat. Im positiven Fall wird Ausgang 27 eine Spannung ergeben sollte, welche kleiner ist als die Integration abgebrochen, und das Startsignal für die Wand- 211 eine passend gewählte Referenzspannung am Komparator 25,

lung gegeben (Zeile n). so fällt dieser ab (log. 0 am Ausgang) und bewirkt über die

Bei sehr schwachen Signalen kann es vorkommen, dass auch Logikstufe 9 das öffnen des Schalters 8, was eine Erhöhung der nach 64 ms die Referenzspannung noch nicht erreicht ist und Vorverstärkung um einen Faktor von z.B. 23 zur Folge hat.

der Komparator nicht anspricht. In solchen Fällen wird die Zu Beginn jeder neuen Messung wird über einen Eingang

Integration direkt durch den bei 64 ms auftretenden Zeitimpuls 25 9c der Logikstufe 9 die Vorverstärkung wieder auf mittleren

(Zeile h) abgebrochen und gewandelt. Wert geschaltet.

Falls bereits nach 2 ms oder weniger der Referenzwert Die übrigen Phasen verlaufen gleich wie weiter oben erreicht ist, heisst das, dass das Eingangssignal zu gross ist. Vom beschrieben.

gesamten Arbeitsbereich des A/D-Wandlers 22 wird der Selbstverständlich wäre es auch möglich, durch Anbringung höchstwertige Bitausgang für die eigentliche Wandlung nicht 1» von 3 oder mehr Komparatorén, die Vorverstärkung in 4 oder ausgenützt. Im vorliegenden Fall ist dieser Ausgang (Überlauf) mehr Stufen zu variieren.

an eine Alarmvorrichtung AL angeschlossen. Wenn die Alarmvorrichtung anspricht, muss die Messung mit einer kleineren Vorverstärkung wiederholt werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

617 510 PATENTANSPRÜCHE

1. Messverstärker mit digitalem Ausgang, bestehend aus einem Vorverstärker mit umschaltbarem Verstärkungsgrad und einem Analog-Digital-Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorverstärker (1) und dem A/D-Wandler (22) ein integrierender Verstärker (11) mit stufenweise umschaltbaren Integrationszeiten eingeschaltet ist.

2. Messverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den integrierenden Verstärker (11) angeschlossener Komparator (20) und eine mit diesem zusammenwirkende Steuerstufe (12) vorgesehen sind, welch letztere die Integrationszeit auf den nächst höheren Wert umschaltet, wenn das Ausgangssignal des integrierenden Verstärkers ein am Komparator anliegendes Referenzsignal nicht innerhalb der momentan eingeschalteten Integrationszeit überschreitet.

3. Messverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er an seinem Ausgang digitale Werte in Gleit-komma-Darstellung erzeugt, wobei die Mantisse der Werte vom A/D-Wandler und die Exponenten vom Vorverstärker und vom integrierenden Verstärker erzeugt werden.

Insbesondere in der Fototechnik besteht vielfach die Aufgabe, kleine und kleinste Ströme mit höchster Genauigkeit zu messen und in digitaler Form darzustellen. Ein besonderes Problem bildet dabei der Umstand, dass die zu messenden Ströme nicht sehr klein sind, so dass sie fast im Rauschen untergehen, sondern darüber hinaus oftmals auch einen erheblichen Dynamikumfang aufweisen. So liegen beispielsweise die bei der fotoelektrischen Ausmessung von Kopiervorlagen auftretenden Fotoströme im Bereich von etwa lOOpA bis etwa 100 (JA, was einem Dynamikumfang von rund 106 entspricht.

Zur Steigerung des verarbeitbaren Dynamikumfanges werden heute in der Regel Messverstärker mit umschaltbarem Verstärkungsgrad und Gleitkomma-Analog-Digital-Wandler (DOS 2 460 907) eingesetzt. Zur Verarbeitung kleinster nur schwach über dem Rauschpegel liegender Signale haben sich integrierende Messverstärker als zweckmässig erwiesen (DAS 2 059 862 und DAS 2 035 232).

Diese bekannten Massnahmen bzw. Vorrichtungen sind jedoch für die Praxis in vielen Fällen immer noch nicht ausreichend oder aber zu aufwendig. Diesem Mangel abzuhelfen ist Aufgabe der Erfindung.