CH680964A5

CH680964A5 -

Info

Publication number: CH680964A5
Application number: CH294590A
Authority: CH
Inventors: Martin-Wolf Woyda
Original assignee: Merk Gmbh Telefonbau Fried
Priority date: 1990-01-30
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1992-12-15
Also published as: DE4002615A1; DE4002615C2

Description

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CH 680 964 A5

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung elektrischer Messwerte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 2 952 311 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen einer Messspannung in einen digitalen Wert bekannt. Dabei wird zum Steuern der Vorrichtung ein Mikroprozessor benutzt. Die zu messende Spannung wird zu einer Referenz- oder Kompensationsspannung addiert, welche als getastete Rechteckwechselspannung angeboten wird. Es ist ein zusätzlicher Nullindikator erforderlich, um die Polarität der Messspannung zu erkennen, und um das Tastverhältnis der Kompensationsspannung entsprechend zu variieren. DeF Nullindikator ist schon als Analog-Digital-Wandler ausgeführt und gibt aber noch nicht das eigentliche Messergebnis ab. Das Messergebnis wird vom Mikroprozessor er-fasst, indem das Tastverhältnis von zusätzlichen Timerbausteinen ermittelt wird, bei dem sich ein Nullwert ergibt. Eine derartige Messanordnung ist zwar für eine hohe Auflösung geeignet aber relativ aufwendig. Ausserdem ist die Messgenauigkeit von der Genauigkeit der Referenzspannung abhängig.

Ein nach dem Sägezahnverfahren arbeitender Analog-Digital-Wandler ist aus dem DE-Fachbuch «Tietze/Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik», 4. Auflage bekannt, der ab Seite 641 beschrieben wird. Es handelt sich dabei um eine relativ einfache Anordnung, welche im wesentlichen aus zwei Komparato-ren besteht. Damit wird die von einem Sägezahngenerator erzeugte Referenzspannung mit der Messspannung verglichen. Beim Ansprechen eines der Komparatoren wird der dann sich ergebende Zählerstand zur Anzeige gebracht. In der Beschreibung ist angegeben, dass die Messgenauigkeit durch Bauelementetoleranzen, insbesondere durch Alterung stark beeinflusst wird. Um diesen Nachteil auszuschalten, kann ein AD-Wandler eingesetzt werden, der nach dem sog. Dual Slope-Prinzip arbeitet und ab Seite 643 an gleicher Stelle beschrieben wird. Ein solcher Wandler ist jedoch wesentlich aufwendiger, beansprucht daher mehr Platz und erfordert auch eine längere Zeit für eine Messung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung anzugeben, womit ein nach dem Singie-Slope-Verfahren arbeitender Analog-Digital-Wandler einfach und platzsparend aufgebaut werden kann, bei dem Bauelementetoleranzen und Alterungen das Messergebnis nicht beeinflussen.

Diese Aufgabe wird mit einer Merkmalskombination gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist.

Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Einfachheit eines Single-Slope-AD-Wandlers auch dann beibehalten werden kann, wenn eine hohe Messgenauigkeit erforderlich ist, und dass eine digitale Messeinrichtung für vielfältige Einsatzfälle preiswert und platzsparend herstellbar ist.

In den abhängigen Ansprüchen sind optimale Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Anordnung

Fig. 2 die Beschaltung des als Messeinrichtung verwendeten Mikroprozessors

Fig. 3 ein Zeitdiagramm

In Fig. 1 ist dargestellt, dass eine Ladespannung UC über eine Konstantstromquelle KQ und einen Schalter S1 einem Kondensator C zugeführt wird. Der Schalter S1 wird zu Beginn einer Messung aus dem Mikroprozessor MP heraus periodisch für eine jeweils gleichlange Zeitdauer At angesteuert. Dabei lädt sich der Kondensator C stufenweise linear auf. Der Kondensator C ist mit den gleichartigen Eingängen + von zwei Vergleichern VG1, VG2 verbunden, so dass die Ladespannung UC dort anliegt. An dem anderen Eingang - des einen Vergleichers VG1 liegt eine bekannte Referenzspannung UR an, so dass dieser Vergleicher VG1 anspricht, wenn die Ladespannung UC die Höhe der Referenzspannung UR erreicht. Der entsprechende Eingang - des anderen Vergleichers VG2 ist mit der zu messenden Spannung UM verbunden, so dass dieser Vergleicher VG2 anspricht, wenn von der Ladespannung UC die Schwelle der Messspannung UM erreicht wird.

Der Steuertakt für die Ansteuerung des Schalters S1 wird vom Mikroprozessor MP geliefert, wobei gleichzeitig die Anzahl der Ansteuerungen jeweils bis zum Ansprechen eines der Vergleicher VG1 oder VG2 gezählt werden. Die sich dabei ergebenden Zählerstände werden zunächst in Speichern abgelegt.

Es ergeben sich dabei folgende Beziehungen, wobei mit n die Anzahl der Zählschritte angegeben ist.

Für die Messspannung:

nM = UM

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Für die Referenzspannung:

nR = UR

Ix^t

Aus diesen beiden Beziehungen wird nun ein Quotient gebildet, wobei sich folgende Gleichung ergibt:

S - UM 1TX

UR

Ix

Dabei ist At die jeweils gleiche Zeitdauer, für die der Schalter S1 geschlossen ist. Aus der letzten Gleichung ist zu ersehen, dass die Grössen C, I und At herausgekürzt werden können, so dass sich vereinfacht ergibt, nM/nR = UM/UR.

Daraus ist zu ersehen, dass Kapazitätswerte, Stromwerte und die jeweils gleiche Einschaltzeit des Schalters S1 keinen Einfluss auf das Messergebnis haben.

Es ergibt sich also für die Messspannung die Beziehung,

UM = x UR

Im Mikroprozessor MP wird dann, wenn beide Vergleicher VG1 und VG2 angesprochen haben, ein Quotient aus den beiden zwischengespeicherten Zählwerten nach der letztgenannten Gleichung gebildet. Dieser Wert wird mit dem bekannten Wert der Referenzspannung UR multipliziert, und es ergibt sich der Wert der zu messenden Spannung. Die Genauigkeit des Messergebnisses ist dabei lediglich abhängig von der Anzahl der Zählschritte, bzw. von der gewählten Einschaltzeit At des Schalters S1 und von der Referenzspannung UR.

Damit das Messergebnis nicht verfälscht werden kann, wird zu Beginn einer Messung ein weiterer Schalter S2 angesteuert, womit der Kondensator C entladen wird. Das Messergebnis steht an digitalen Ausgängen DA des Mikroporzessors MP zur Verfügung und kann zur Ansteuerung einer Anzeigeeinrichtung oder zur digitalen Weiterverarbeitung dienen.

In der Fig. 2 ist dargestellt, wie durch Wahl eines geeigneten Mikroprozessors MP mit nur wenigen zusätzlichen Bauteilen ein Analog-Digital-Wandler nach dem Einflanken-Prinzip realisiert werden kann. Dabei kommt eine schaltbare Konstantstromquelle S1 zum Einsatz, so dass ausser einigen Anpasswiderständen R1 und R2 nur noch der Kondensator C erforderlich ist. Aber auch diese Bauteile lassen sich bei Bedarf noch in dem Gehäuse des Mikroprozessors MP unterbringen.

Die Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm, woraus zu ersehen ist, wie der Kondensator C stufenweise aufgeladen wird. Während der Einschaltdauer des Schalters S1 erfolgt bedingt durch die Konstantstromquelle KQ eine lineare Aufladung des Kondensators, die erhalten bleibt und beim nächsten Einschalten fortgesetzt wird. Daraus ergibt sich, dass Messvorgänge ohne weiteres unterbrochen werden können, wenn der Mikroprozessor MP zwischenzeitlich andere Aufgaben zu erledigen hat. Die sich beim Ansprechen der Vergleicher VG1 bzw. VG2 ergebenden Zählerstände nM x At, bzw. nR x At werden im Mikroprozessor MP zwischengespeichert und mathematisch verarbeitet, wie dies bereits beschrieben worden ist.

Ein auf diese Weise aufgebauter Analog-Digital-Wandler lässt sich sehr platzsparend herstellen, so dass er z.B. in Messgeräten aller Art eingebaut werden kann.

Auch andere Einsatzfälle, beispielsweise in Gefahrenmeldeanlagen zum Erkennen der Abweichungen elektrischer Grössen von vorgegebenen Sollwerten sind denkbar.

Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung elektrischer Messwerte mit einer als Mikroprozessor ausgeführten Steuereinrichtung, welche Zähler und Speicher enthält, wobei der zu messende Analogwert mit Referenzgrössen verglichen wird und die Analog-Digital-Wandlung nach dem Einflan-ken-Prinzip erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge (+) zweier Vergleicher (VG1, VG2) zusammengeschaltet und mit einem Kondensator (C) verbunden sind, der von einem periodisch für jeweils gleich lange Zeitdauern (At) angesteuerten Schalter (S1) über eine Konstantstromquelle (KQ) mit einer Ladespannung (UC), stufenweise linear aufgeladen wird, die grösser ist als die zu messende Spannung (UM) und eine Referenzspannung (UR), dass die beiden anderen Eingänge (-) der Vergleicher (VG1,

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VG2) mit der zu messenden Spannung (UM), bzw. mit der Referenzspannung (UR) beschaltet sind, dass die Anzahl der Ansteuerungen des Schalters (S1) gezählt wird und jeweils dann die Zählerstände zwischengespeichert werden, wenn einer der Vergleicher (VG1, VG2) anspricht, und dass aus den Zählerständen ein Quotient gebildet wird, indem der bei Erreichen der Messspannung (UM) sich ergebende Zählwert durch den beim Erreichen der Referenzspannung (UR) sich ergebenden Zählwert dividiert wird, womit der Wert der Referenzspannung (UR) multipliziert wird, um den Digitalwert der Messspannung (UM) zu erhalten.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Schalter (S2) parallel zum Kondensator (C) geschaltet ist, der zu Beginn von Messungen betätigbar ist, wobei der Kondensator (C) entladen wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der periodisch angesteuerte Schalter (S1) und die Konstantstromquelle (KQ) in einem Schaltelement vereinigt sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikroprozessor (MP) verwendet wird, der integrierte Vergleicher (VG1, VG2) enthält.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ladespannung (UC) die Versorgungsspannung des Mikroprozessors (MP) benutzt wird.

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