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

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

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50 50

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CH 680 964 A5 CH 680 964 A5

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung elektrischer Messwerte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a circuit arrangement for analog-digital conversion of electrical measured values according to the preamble of patent claim 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. DE-PS 2 952 311 discloses a method and a device for converting a measurement voltage into a digital value. A microprocessor is used to control the device. The voltage to be measured is added to a reference or compensation voltage, which is offered as a sampled rectangular alternating voltage. An additional zero indicator is required to recognize the polarity of the measurement voltage and to vary the duty cycle of the compensation voltage accordingly. DeF zero indicator is already designed as an analog-digital converter and does not yet give the actual measurement result. The measurement result is recorded by the microprocessor by determining the pulse duty factor of additional timer modules, which results in a zero value. Such a measuring arrangement is suitable for a high resolution but is relatively complex. In addition, the measurement accuracy depends on the accuracy of the reference voltage.

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. An analog-to-digital converter operating according to the sawtooth method is known from the DE specialist book “Tietze / Schenk semiconductor circuit technology”, 4th edition, which is described from page 641 onwards. It is a relatively simple arrangement, which essentially consists of two comparators. This compares the reference voltage generated by a sawtooth generator with the measurement voltage. When one of the comparators responds, the resulting counter reading is displayed. The description states that the measuring accuracy is strongly influenced by component tolerances, in particular by aging. To eliminate this disadvantage, an AD converter can be used, which works according to the so-called dual slope principle and is described in the same place from page 643. However, such a converter is much more complex, therefore takes up more space and also requires a longer time for a measurement.

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. The object of the invention is to provide a circuit arrangement with which an analog-digital converter operating according to the singie slope method can be constructed simply and in a space-saving manner, in which component tolerances and aging do not influence the measurement result.

Diese Aufgabe wird mit einer Merkmalskombination gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist. This object is achieved with a combination of features as specified in claim 1.

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. This advantageously means that the simplicity of a single slope AD converter can also be maintained when high measurement accuracy is required, and that a digital measuring device can be produced inexpensively and in a space-saving manner for a wide range of applications.

In den abhängigen Ansprüchen sind optimale Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Optimal developments of the invention are specified in the dependent claims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. An embodiment of the invention is explained below with reference to drawings.

Es zeigt It shows

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Anordnung Fig. 1 shows the schematic diagram of the arrangement

Fig. 2 die Beschaltung des als Messeinrichtung verwendeten Mikroprozessors Fig. 2 shows the wiring of the microprocessor used as a measuring device

Fig. 3 ein Zeitdiagramm Fig. 3 is a timing diagram

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. 1 shows that a charging voltage UC is supplied to a capacitor C via a constant current source KQ and a switch S1. At the beginning of a measurement, the switch S1 is periodically actuated out of the microprocessor MP for an equally long period of time At. The capacitor C gradually charges linearly. The capacitor C is connected to the similar inputs + of two comparators VG1, VG2, so that the charging voltage UC is present there. A known reference voltage UR is present at the other input of the one comparator VG1, so that this comparator VG1 responds when the charging voltage UC reaches the level of the reference voltage UR. The corresponding input - of the other comparator VG2 is connected to the voltage UM to be measured, so that this comparator VG2 responds when the threshold of the measuring voltage UM is reached by the charging voltage UC.

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. The control clock for the control of the switch S1 is supplied by the microprocessor MP, the number of controls being counted at the same time until one of the comparators VG1 or VG2 responds. The resulting meter readings are initially stored in memories.

Es ergeben sich dabei folgende Beziehungen, wobei mit n die Anzahl der Zählschritte angegeben ist. The following relationships result, where n is the number of counting steps.

Für die Messspannung: For the measuring voltage:

nM = UM nM = UM

Tx2£ Rx2 pounds

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

CH 680 964 A5 CH 680 964 A5

Für die Referenzspannung: For the reference voltage:

nR = UR nR = UR

Ix^t Ix ^ t

Aus diesen beiden Beziehungen wird nun ein Quotient gebildet, wobei sich folgende Gleichung ergibt: A quotient is then formed from these two relationships, resulting in the following equation:

S - UM 1TX S - UM 1TX

UR UR

Ix 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. At is the same time period for which switch S1 is closed. It can be seen from the last equation that the quantities C, I and At can be shortened, so that, in a simplified manner, 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. It can be seen from this that capacitance values, current values and the same switch-on time of switch S1 have no influence on the measurement result.

Es ergibt sich also für die Messspannung die Beziehung, The relationship for the measuring voltage is

UM = x UR 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. When the two comparators VG1 and VG2 have addressed, a quotient is formed in the microprocessor MP from the two buffered count values according to the last-mentioned equation. This value is multiplied by the known value of the reference voltage UR, and the value of the voltage to be measured is obtained. The accuracy of the measurement result is only dependent on the number of counting steps or on the selected switch-on time At of the switch S1 and on the reference voltage 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 order that the measurement result cannot be falsified, a further switch S2 is activated at the start of a measurement, whereby the capacitor C is discharged. The measurement result is available at digital outputs DA of the microprocessor MP and can be used to control a display device or for further digital processing.

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. FIG. 2 shows how an analog-to-digital converter can be implemented by selecting a suitable microprocessor MP with only a few additional components. A switchable constant current source S1 is used, so that apart from a few matching resistors R1 and R2 only the capacitor C is required. However, these components can also be accommodated in the housing of the microprocessor MP if required.

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. FIG. 3 shows a time diagram from which it can be seen how the capacitor C is gradually charged. During the switch-on period of the switch S1, the constant current source KQ causes the capacitor to charge linearly, which is retained and is continued the next time the switch is switched on. This means that measurement processes can be easily interrupted if the microprocessor MP has to perform other tasks in the meantime. The counter readings nM x At, or nR x At, which result when the comparators VG1 or VG2 respond, are buffered in the microprocessor MP and processed mathematically, as has already been described.

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. An analog-to-digital converter constructed in this way can be manufactured in a very space-saving manner, so that it can e.g. can be installed in all types of measuring devices.

Auch andere Einsatzfälle, beispielsweise in Gefahrenmeldeanlagen zum Erkennen der Abweichungen elektrischer Grössen von vorgegebenen Sollwerten sind denkbar. Other applications are also conceivable, for example in hazard detection systems to detect the deviations in electrical quantities from specified target values.

Claims

1. Circuit arrangement for analog-digital conversion of electrical measured values with a control device designed as a microprocessor, which contains counters and memories, the analog value to be measured being compared with reference variables and the analog-digital conversion taking place according to the flanking principle characterized in that the inputs (+) of two comparators (VG1, VG2) are connected together and connected to a capacitor (C), which is controlled by a switch (S1) which is periodically controlled for the same length of time (At) via a constant current source (KQ) a charging voltage (UC) is gradually linearly charged, which is greater than the voltage to be measured (UM) and a reference voltage (UR) that the two other inputs (-) of the comparators (VG1,

3rd

5

10th

15

20th

25th

30th

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VG2) are connected to the voltage to be measured (UM) or to the reference voltage (UR), that the number of activations of the switch (S1) is counted and the counter readings are stored temporarily when one of the comparators (VG1, VG2 ) and that a quotient is formed from the meter readings by dividing the count value obtained when the measurement voltage (UM) is reached by the count value resulting when the reference voltage (UR) is reached, by which the value of the reference voltage (UR) is multiplied to get the digital value of the measurement voltage (UM).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a second switch (S2) is connected in parallel to the capacitor (C), which can be actuated at the start of measurements, the capacitor (C) being discharged.

3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the periodically controlled switch (S1) and the constant current source (KQ) are combined in one switching element.

4. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a microprocessor (MP) is used which contains integrated comparators (VG1, VG2).

5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the supply voltage of the microprocessor (MP) is used as the charging voltage (UC).

4th