DD226129A1

DD226129A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE AUTOMATIC MEASUREMENT RANGE SELECTION OF ANALOG DIGITAL TRANSDUCERS

Info

Publication number: DD226129A1
Application number: DD26429084A
Authority: DD
Inventors: Gerald Ruscher
Original assignee: Lokomotivbau Elektrotech
Priority date: 1984-06-20
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1985-08-14

Abstract

Die erfindungsgemaesse Loesung soll bei geringem technischen Aufwand eine wirksame automatische Messbereichswahl zur Minimierung des relativen Fehlers und zur sicheren Arbeitsweise unter den Bedingungen der Stoerbeeinflussung schaffen, so dass ein Einsatz von Analog-Digital-Wandlern unter unguenstigen Bedingungen moeglich ist. Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine maximale Entkopplung zwischen stoerbeeinflusster Eingangsgroesse und Wandlungsprozess bzw. nachfolgende Verarbeitungseinheiten (Rechner usw.) gewaehrleistet. Dass wird dadurch erreicht, dass ueber die Zustandsauswertung des Ueberlaufs und des MSB mittels eines Optokopplers nach Ablauf jeder vollstaendigen Analog-Digital-Wandlung ueber einen weiteren Optokoppler Status-Signale gebildet werden, die einen Vor-/Rueckwaerts-Zaehler steuern und so den optimalen Arbeitsbereich des Analog-Digital-Wandlers mit minimalem relativen Fehler nutzen. Weiterhin ist dadurch eine Amplitudenbegrenzung zur Stoerunterdrueckung moeglich. Die Flussspannung der Lichtemitterdiode wird als Konstantspannungsquelle genutzt, wodurch eine sicher und eindeutige Ansteuerung durch Schaltkreisausgangspegel einer bestimmten Logikfamilie ermoeglicht wird. FigurThe solution according to the invention is intended to create an effective automatic measuring range selection with minimal technical outlay in order to minimize the relative error and to ensure safe operation under the conditions of interference influencing, so that use of analog-to-digital converters under unfavorable conditions is possible. The invention is based on the technical object of providing a circuit arrangement which ensures maximum decoupling between interference-influenced input quantity and conversion process or subsequent processing units (computers, etc.). This is achieved by the status evaluation of the overflow and the MSB by means of an optocoupler after the completion of each complete analog-to-digital conversion via another optocoupler status signals are formed, which control a forward / backward counter and thus the optimal workspace of the analog-to-digital converter with minimal relative error. Furthermore, this allows an amplitude limitation for interference suppression. The forward voltage of the light emitting diode is used as a constant voltage source, thereby enabling safe and unambiguous driving by circuit output levels of a particular logic family. figure

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Schaltungsanordnung zur automatischen MeSbereichswahl von Analog-Digital-WandlerηCircuit arrangement for the automatic measurement range selection of analog-to-digital converter

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur automatischen MeSbereichswahl von Analog-Digital-Wandlern, insbesondere zur Messung hoher elektrischer Spannungen und deren Umwandlung in digitale Größen zur Weiterverarbeitung in Mikrorechnersystemen. Die Erfindung ist überall dort einsetzbar, wo es darauf ankommt, eine analoge elektrische Grö&e über einen weiten Wertebereich zu erfassen, wobei eine maximale Entkopplung zwischen Meß- und Auswerteeinrichtung auf Grund des Einflusses von Störgrößen erforderlich ist. Anwendungsmöglichkeiten bestehen in der Energieversorgung, Hochspannungstechnik, im Maschinen- und Fahrzeugbau,The invention relates to a circuit arrangement for automatic measurement range selection of analog-to-digital converters, in particular for the measurement of high electrical voltages and their conversion into digital variables for further processing in microcomputer systems. The invention can be used everywhere where it is important to detect an analogous electrical quantity over a wide range of values, wherein a maximum decoupling between the measuring and evaluation device is required due to the influence of disturbance variables. Applications exist in the energy supply, high voltage engineering, in machine and vehicle construction,

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, zur Wandlung eines analogen Signals in ein digitales einen Vergleich mittels Komparator zwischen einer Eingangssignalspannung und einer durch einen Digital-Analog-Wandler erzeugten Referenzspannung vorzunehmen, wobei man sich sukzessiv mit dem MSB (Most Significant Bit) beginnend einem Wert minimaler Abweichung zwischen Eingangsspannung und Referenzspannung annähert (vgl. - radio fernsehen elektronik - 28 (1979) 1, S. 22/23).It is known to make a comparison by means of a comparator between an input signal voltage and a reference voltage generated by a digital-to-analog converter for converting an analog signal into a digital one, wherein successively with the MSB (Most Significant Bit) starting a value of minimal deviation between Input voltage and reference voltage approaches (see - radio television electronics - 28 (1979) 1, p 22/23).

Die Anwendung der Analog-Digital-Wandler ist ohne weitere Maßnahmen auf einen engen '//ertebereich begrenzt, der durchThe application of the analog-to-digital converters is limited to a narrow range of values by means of further measures

die erzeugbaren Referenzspannungen des internen Digital-Analog-Wandlers vorgegeben wird. Weiterhin ist der absolute Fehler eines Analog-Digital-Wandlers konstant. Daraus ist ersichtlich, daß man im Bereich des MSS arbeiten muß, um einen minimalen relativen Fehler zu erhalten.the generated reference voltages of the internal digital-to-analog converter is specified. Furthermore, the absolute error of an analog-to-digital converter is constant. It can be seen that one has to work in the area of the MSS to get a minimum relative error.

Eine Lösung ist in der DE-CS 29 06 740 angegeben. Es wird dabei ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit eines Digital-Analog- bzw. Analog-Digital-Wandlers und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal bei Überschreitung eines Grenzwertes mit einem Faktor multipliziert und das Ausgangssignal mit einem reziproken Faktor multipliziert wird. Zur Durchführung des Verfahrens werden Schaltungs-anordnungen vorgeschlagen, die für die Multiplikation des Eingangssignals in ihrer Verstärkung umschaltbare Analogverstärker (Operationsverstärker) vorsehen. Die Multiplikation des Ausgangssignals erfolgt durch Stellenverschiebung des im Binärcode vorliegenden Wandlerergebnisses, wobei grundsätzlich eine Beschränkung der Verstärkungsfaktoren auf 2 (n = 1, 2, 3, ...) erfolgt. Die in der DE-OS 29 06 740 angegebenen Schaltungsanordnungen gehen von drei verschiedenen Faktoren aus. Unter dieser Voraussetzung ist der Sauelementenaufwand vertretbar, jedoch steigt er mit weiteren Faktoren unverhältnismäßig stark an. Nachteilig ist ebenfalls die Grenzwertüberwachung des digitalen Signals durch überwachung der in einem Register stehenden Bits mit der höchsten Wertigkeit, wobei der Aufwand mit einer steigenden Anzahl von Faktoren kaum zu vertreten ist . Weiterhin wird durch diese Randbedingung eine maximale Entkopplung zwischen störbeeinfluSten Eingangssignal und Analog-Digital-Wandler erheblich erschwert.A solution is given in DE-CS 29 06 740. A method for increasing the accuracy of a digital-analog or analog-to-digital converter and a circuit arrangement for carrying out the method are described. The method is characterized in that the input signal is multiplied when a limit value is exceeded by a factor and the output signal is multiplied by a reciprocal factor. For carrying out the method, circuit arrangements are proposed which provide for the multiplication of the input signal in its gain switchable analog amplifier (operational amplifier). The multiplication of the output signal is carried out by shifting the position of the binary code present in the conversion result, wherein basically a limitation of the gain factors to 2 (n = 1, 2, 3, ...) takes place. The specified in DE-OS 29 06 740 circuit arrangements are based on three different factors. Under this condition, the Sauelementenaufwand is acceptable, but it increases disproportionately with other factors. Another disadvantage is the monitoring of the limit of the digital signal by monitoring the bits in the register with the highest significance, the cost of an increasing number of factors is hardly responsible. Furthermore, a maximum decoupling between interference-influenced input signal and analog-to-digital converter is made considerably more difficult by this boundary condition.

Vorteilhaft ist die in der DE-OS 29 06 740 angegebene Beschränkung der Faktoren für die Multiplikation auf 2ⁿ, wobei η Element der ganzen Zahlen ist.Advantageous is the limitation of the multiplication factors to 2 ⁿ given in DE-OS 29 06 740, where η is an element of the integers.

Auf diese ?«1öglichkeit wird auch in der DE-OS 30 02 742 zurückgegriffen. Weiterhin wird gemäß DE-OS 30 02 742 eine Einrichtung eingesetzt, die eine Vorwahl des Verstärkungsfaktors ermöglicht (vorzugsweise über Mikroprozessor), wobei der vor-In this? "1öglichkeit resorted 30 02 742 and in DE-OS. Furthermore, according to DE-OS 30 02 742 a device is used which allows a preselection of the amplification factor (preferably via microprocessor), wherein the

gegebene digitale Wert durch einen .Digital-Anälog-Wandler in einem analogen Wert umgeformt wird. Dieser analoge Wert wird mit dem analogen Wert des Eingangs verglichen, womit eine Entscheidung über den notwendigen Verstärkungswert des Verstärkers ermöglicht wird. Weiterhin beinhaltet die DE-OS 30 02 742 eine Möglichkeit nach Vorgabe des Erwartungswertes in digitaler Form und dessen Wandlung in den entsprechenden Analogwert ein Vergleich durchzuführen (s. oben) und anschließend eine schrittweise Annäherung an den ootimalen Verstärkungswert zu erzielen, wobei eine Auswertung der Bitwerte in einer begrenzten Anzahl von höheren Ziffernstellen (s. auch DE-OS 29 06 740) nach Vorgabe erfolgt. Die genannten technischen Lösungen bewirken keine maximale Entkopplung zwischen Eingangssignal und Wandleranordnung, wie sie unter Einfluß elektromagnetischer Störungen notwendig ist. Eine Möglichkeit minimierter Störbeeinflussung wurde in der DD-PS 14 7598 angegeben. Die Schaltungsanordnung beinhaltet einen Digital-Analog-VVandler mit der Ansteuerung bipolarer Stromquellen über Optokoppler. Da es jedoch darauf ankommt die Störbeeinflussung für den gesamten Analog-Digital-Wandler einschließlich automatischer Meßbereichswahl zu minimieren, ist die o.g. Anordnung nicht sinnvoll einsetzbar.given digital value is converted by a .Digital-Anälog-converter in an analog value. This analog value is compared with the analog value of the input, allowing a decision on the necessary gain value of the amplifier. Furthermore, DE-OS 30 02 742 includes a possibility to perform a comparison after specification of the expected value in digital form and its conversion into the corresponding analog value (see above) and then to achieve a stepwise approximation to the ootimal gain value, wherein an evaluation of the bit values in a limited number of higher digits (see also DE-OS 29 06 740) by default. The above-mentioned technical solutions cause no maximum decoupling between the input signal and the transducer arrangement, as is necessary under the influence of electromagnetic interference. One possibility minimized interference was specified in DD-PS 14 7598. The circuit arrangement includes a digital-analog V converter with the control of bipolar current sources via optocouplers. However, since it is important to minimize the interference for the entire analog-to-digital converter including automatic range selection, the above arrangement is not useful.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die erfinderische Lösung soll bei minimalem technischen Aufwand einen Analog-Digital-Wandler mit automatischer MeSbereichswahl realisieren, der auch unter den Bedingungen hoher elektromagnetischer Störbeeinflussung sicher arbeitet , wobei der technische Aufwand relativ gering sein soll.The inventive solution should realize an analog-to-digital converter with automatic MeSbereichswahl with minimal technical effort, which operates safely even under the conditions of high electromagnetic interference, the technical complexity should be relatively low.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung mit automatischer MeSbereichswahl zu schaffen, die unter den Bedingungen maximaler Störbeeinflussungen sicher und mit minimalem Fehler arbeitet, wobei ein großer Meßbereich der Eingangsgröße erfaßt werden soll. The invention has for its object to provide a circuit arrangement for analog-to-digital conversion with automatic MeSbereichswahl, which operates under the conditions of maximum interference safely and with minimal error, with a large range of the input size to be detected .

Die Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß bei Überschreitung des Wertebereiches des Analog-Digital-Wandlers die Lichtemitterdiode eines Optokopplers nicht mit einem Strom beaufschlagt wird, was dadurch geschieht, daß keiner der Schalter zur Ansteuerung der bipolaren Konstantstromquellen des Digital-Analog-Wandlers, der zur Erzeugung einer Referenzspannung für den Analog-Digital-WandlungsprozeS notwendig ist, geschlossen ist. Das Ausgangssignal des Optokopplers wird mit dem Ausgangssignal eines weiteren Optokopplers, der ein Signal nach abgeschlossener Analog-Digital- Wandlung überträgt, logisch kombiniert und zur Ansteuerung eines Takteingangs eines Vor-/Rückwärts-Zählers benutzt. Der andere Takteingang des Vor-/Rückwärts-Zählers wird durch ein Signal angesteuert, welches sich aus der logischen Verknüpfung des Ausgangssignals eines Optokopplers, dessen . Lichtemitterdioden den Zustand des MSB überwacht, und des Optokopplers, der ein Signal nach abgeschlossener Analog-Digital-Wsndlung überträgt, ergibt.The features of the invention are that when exceeding the value range of the analog-to-digital converter, the light emitting diode of an opto-coupler is not acted upon by a current, which happens that none of the switches for controlling the bipolar constant current sources of the digital-to-analog converter, the is necessary to generate a reference voltage for the analog-to-digital conversion process. The output signal of the optocoupler is logically combined with the output of another optocoupler, which transmits a signal after completed analog-to-digital conversion, and used to drive a clock input of a forward / reverse counter. The other clock input of the up / down counter is controlled by a signal resulting from the logical combination of the output signal of an optocoupler whose. Light emitting diodes monitored the state of the MSB, and the optocoupler, which transmits a signal after completion of the analog-digital-Wsndlung.

Der Zählerstand des Vor-/Rückwärts-Zählers dient als Steuersignal für einen programmierbaren Verstärker, dessen Verstärkung zur automatischen Meßbereichswahl so eingestellt wird, daß sich für das digitale Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung ein minimaler relativer Fehler ergibt.The count of the up / down counter serves as a control signal for a programmable amplifier, whose gain for automatic range selection is adjusted to give a minimum relative error to the digital result of the analog-to-digital conversion.

Die Lichtemitterdiode des Optokopplers zur überwachung des Oberlaufzustandes des Änalog-Digital-Wandlers kann als Koη-stantspannungsquelle zusätzlich genutzt werden, wobei die bipolaren Konstantstromquellen aus einem Transistorarray vom Typ A (npn oder pnq) gebildet werden und die Ansteuerung durch Transistoren vom Typ 3 (pnp oder npn), deren gemeinsames Emitterpotential unter Nutzung oben genannter Lichtemitterdiode so fixiert wird, daß eine eindeutige und sichere Schaltfunktion bei Erzeugung der Steuersignale durch Schaltkreise einer bestimmten Logikfamilie ermöglicht wird, erfolgtThe light emitting diode of the optocoupler for monitoring the upper-going state of the analog-digital converter can additionally be used as a constant voltage source, the bipolar constant current sources being formed of a transistor array of type A (npn or pnq) and controlled by transistors of type 3 (pnp or npn), whose common emitter potential is fixed by using the above-mentioned light emitting diode so that a unique and secure switching function is enabled when generating the control signals by circuits of a particular logic family occurs

Ausführungsbeispielembodiment

Der im Ausfuhrungsbeispiel realisierte Analog-Digital-Wandler arbeitet nach dem Wäg epr insip (digit at a time). Durch einen Taktcenerat.or 2 werden die zur Ansteueruno des Analo.c-Dia.ital-The implemented in the exemplary embodiment analog-to-digital converter operates on the weighing epr insip (digit at a time). By a Taktcenerat.or 2 are used to drive the Analo.c-Dia.ital-

Wandlers notwendigen Zeittakte erzeugt , wobei diese auf den Takteingang eines nachfolgenden seriellen Schieberegisters 3 gelangen. Beginnend mit dem Impuls für das MS3 (Most Significant Bit) (gebildet aus den Positionen 10; 11; 12; 13) zum Ansteuern des Digital-Analog-Umsetzers zur Erzeugung einer Referenzspannung wird über ein Latch 4 der betreffende pnp-Transistor, der als Schalter 12 wirkt und im gesperrten Zustand die bipolare Konstromouelle für das entsprechende Bit freigibt, gesperrt. Mittels Leiternetzvverk 11 wird die Referenzspannung für den invertierenden Eingang des Komparator 7 High-Potential an das Latch 4, wobei dieser Zustand mit der Vorderflanke des nächsten Taktes übernommen wird. Dieser Vorgang wird bis zum LSB (Least Significant Bit) fortgesetzt .Transducer generates necessary clock cycles, which arrive at the clock input of a subsequent serial shift register 3. Starting with the pulse for the MS3 (Most Significant Bit) (formed from the positions 10, 11, 12, 13) for driving the digital-to-analog converter to generate a reference voltage is via a latch 4 of the pnp transistor in question as Switch 12 acts and releases the bipolar Konstromouelle for the corresponding bit in the locked state, locked. Via Leiternetzvverk 11, the reference voltage for the inverting input of the comparator 7 high potential to the latch 4, wherein this state is taken over with the leading edge of the next clock. This process continues until the LSB (Least Significant Bit).

Das gemeinsame Emitterpotential der pnp-Transistoren, die als Schalter 12 genutzt werden, wird über die FluSspanriuhg der Licht emitterdiode des Optokopplers 10 aus der Spannung U₁ so stabilisiert,-daß eine sichere und eindeutige Ansteuerung durch das Latch 4 möglich ist. Nach Abarbeitung des LSS ist der A/D-WandlungsprozeS beendet. Das Ergebnis wird in das parallele Schieberegister 5 übernommen und für den Zeitraum der nächsten Wandlung gespeichert. Gleichzeitig werden über die Logik 9 die Zustände des Optokopplers 14 für das MSB und des Optokopplers 10 für den Oberlauf überprüft. Die Ansteuerung der Logik erfolgt dafür über den Optokoppler 8. ,Bei Oberlauf gelangt ein Taktimpuls an den T^-Eingang des Vor-/Rückwärts-Zählers 6. Die Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 1 wird damit auf 0,5 reduziert.The common emitter potential of the PNP transistors, which are used as a switch 12 is stabilized via the FluSspanriuhg the light emitter diode of the optocoupler 10 from the voltage U ₁ , -daß a safe and unambiguous control by the latch 4 is possible. After execution of the LSS, the A / D conversion process is completed. The result is taken over in the parallel shift register 5 and stored for the period of the next conversion. At the same time, the states of the optocoupler 14 for the MSB and the opto-coupler 10 for the upper reaches are checked via the logic 9. The control of the logic is done via the optocoupler 8. At the upper reaches a clock pulse to the T ^ input of the forward / backward counter 6. The gain of the programmable amplifier 1 is thus reduced to 0.5.

Sollte kein Oberlauf vorliegen und das MSB auf High-Potential sein, wird keit Takteingang des Vor-/RückwärtS Zählers 6 angesteuert. Die Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 1 bleibt erhalten.If there is no upper run and the MSB is at high potential, the clock input of the forward / reverse counter 6 is triggered. The gain of the programmable amplifier 1 is maintained.

Wenn das MS3 auf Low-Potential nach vollständiger A/0-Wandlung ist, wird der T_y-Eingang des Vor-/Rückwärts-Zählers 6 angesteuert. Die Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 1 wird dann verdoppelt. Auf diese Art und Weise wird der relative Fehler minimiert. Eine Voreinstellung der Verstärkung ist über die Setzeingänge des Vor-/Rückwärts-Zählers 6 einfach möolich.When the MS3 is at low potential after complete A / 0 conversion, the T _y input of the up / down counter 6 is driven. The gain of the programmable amplifier 1 is then doubled. In this way, the relative error is minimized. A presetting of the gain is easily möolich on the set inputs of the forward / backward counter 6.

-D-D-

Der Analog-Digital-Wandler ist nur über das Rückkopplungssignal U,. mit der störbeeinflußten Eingangsgröße verkoppelt. Da die Steuerung der Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 1 über Optokoppler gegenüber Storeinflüssen relativ unempfindlicn ist, sind nur über das Rückkopplungssignal U^ Störungen möglich. Durcn die automatische -Mettoereicnswahl wird der Eereicn des RücKkoqplungssignais U., eindeutig beschränkt. Man kann so durcn ein zusatzliche Amplitudenbegrenzung den StöreinfluS wirkungsvoll minimieren.The analog-to-digital converter is only via the feedback signal U ,. Coupled with the interference-influenced input. Since the control of the gain of the programmable amplifier 1 via optocouplers is relatively insensitive to Storeinflüssen, interference is possible only on the feedback signal U ^. The automatic selection of keys is clearly limited to the size of the back signal U. It is thus possible by means of an additional amplitude limitation to effectively minimize the disturbance.

Claims

Erfxndungsansprüehe

1. Circuit arrangement for the automated range selection of Anaiog-Digxtal-Wandiern, insoesoncere for the measurement of high eiextriscner voltages and their conversion into digital sizes for further processing in a .Mikrorechnersystem, daaurcn noted that when overflow of the WertExlex of the analog-Digitai converter the Licintemitterdiode an optocoupler (10) is not controlled by a current, which is achieved in that none of the switches (12) necessary in the conversion process; which bipolar constant current sources (13) drive, whereby over a conductor network (11) the reference voltage for a comparator (7) is set, closed and this state after completion of A / D WandiungsprozeS via the photoelement of OotoKopplers (10) is checked potentxal separated, wherein a logical link (9) between "your" upper level of the value range of the A / D-Wanciers siganlisierencen optocoupler (10) and a signal which occurs after the expiration of the A / D-Wanaiung and via an optocoupler (8) -transmitted , is provided, wherein the resulting signal of the logic operation (9) 'is used to drive ex¬ Verstarkungswahrereinricntung for determining the gain of the amplifier (1).

2. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that the bio-polar Konstantstromquelien (13) consist of transistors of the type A (npn or pnp) of a transistor array, for the control of these transistors as a switch (12) complementary transistors of the type B (pnp or npn) whose common emitter potential is obtained from a preceding supply voltage, or type C (p- or η-channel) field-effect transistors whose common source potential is obtained from an existing supply voltage, wcThe Fissssann of Licintemitterdioae sines Cptokoooiers (10) as Constantsoannungsaueiie is used to allow a clear control by means of: e-cπs: it; <τease a 'best in a logic fainain used, can.

Circuit arrangement according to: Points 1 or 2, characterized in that via an optocoupler (14) the state of the MSS is detected isolated, wherein the logic operation (9) between the state of the MSB signaling optocoupler (14) and a signal which after the A / D conversion has taken place and is transmitted via an optocoupler (8), the resulting signal of the logical combination (9) is used to drive a gain selector for determining the gain of the amplifier (1).

Circuit arrangement according to points 1 and 3, characterized in that the resulting signal of the logic operation (9), which as inputs the state of the upper reaches of the value range via an optocoupler (10) and a signal which occurs after the expiration of the A / D Wandiung and is transmitted via an optocoupler (8), evaluates, acts as the clock signal of the circuit (forward or backward) of a forward / backward counter (6), and the resulting signal of the logic operation (9), which is the input signal State of the MS.B-via an optocoupler (14) and a signal which occurs after the expiration of the A / D-ft'andiung and is transmitted via an optocoupler (8) evaluates, as a clock signal of the direction two (backwards or forwards) a forward / backward counter (6) is used.

For this a sheet drawing