DE1146195B

DE1146195B - Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer elektrischen Spannung in ein der Hoehe dieser Spannung proportionales Zeitintervall zur digitalen Spannungsmessung

Info

Publication number: DE1146195B
Application number: DEH36613A
Authority: DE
Inventors: Theodore C Anderson
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1958-07-09
Filing date: 1959-06-11
Publication date: 1963-03-28
Also published as: US2994825A; GB921022A; FR1229315A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

H 36613 IXd/21e

ANMELDETAG: 11. JUNI 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 28. MÄRZ 1963

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer elektrischen Spannung in ein der Höhe dieser Spannung proportionales Zeitintervall, währenddessen ein Zähler die von einem Oszillator erzeugten Schwingungen zur digitalen Spannungsmessung zählt, mit einem Gleichspannungs-Differenzverstärker, dessen erster Eingang durch einen Umschalter abwechselnd mit Masse oder der umzuwandelnden Spannung verbunden ist und dessen zweitem Eingang eine zeitlineare Sägezahnspannung zuführbar ist, wobei das Zeitintervall einerseits durch einen bei einem Bezugswert der Sägezahnspannung erzeugten Impuls und andererseits durch einen vom Differenzverstärker erzeugten Impuls begrenzt wird, der entsteht, wenn die den Eingangen des Differenzverstärkers zugeführten Spannungen annähernd gleich sind.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur digitalen Spannungsmessung bekannt, die einen Oszillator enthält, der über ein Oszillatorgatter mit einem Zähler verbunden ist. An den Zähler ist eine Schaltungsanordnung angeschlossen, die eine dem registrierten Zählwerk proportionale Spannung erzeugt, die ihrerseits zum Vergleich mit der zu messenden Spannung einer Vergleichseinrichtung zugeführt wird. Im Betrieb wird das Oszillatorgatter durch eine Steuereinheit geöffnet, so daß der Zähler die Schwingungen des Oszillators zu zählen beginnt. Das Oszillatorgatter wird durch ein Signal wieder geschlossen, das von der Vergleichseinrichtung erzeugt wird, wenn die dem Zählwert proportionale Spannung mit der zu messenden Spannung übereinstimmt.

In einer anderen bekannten Schaltungsanordnung zur digitalen Spannungsmessung liegt die umzuwandernde Spannung an einer Eingangsklemme eines Differenzverstärkers. Zwischen die andere Klemme des Differenzverstärkers und Masse ist ein Kondensator geschaltet, der beim Auftreten eines Startimpulses an eine Quelle konstanten Stromes angeschlossen und durch diese aufgeladen wird. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers wird begrenzt, so daß sie konstant bleibt, bis der Unterschied der an den Eingängen liegenden Spannungen . nur noch verhältnismäßig klein ist. Wenn der Betrag der Differenz der Eingangsspannungen eine bestimmten Wert unterschreitet, wird das Ausgangssignal kleiner als der Begrenzungspegel, und es ändert sich dann in diesem Bereich relativ schnell entsprechend der fortschreitenden Aufladung des mit der einen Eingangsklemme verbundenen Kondensators. Der dabei auftretende Spannungssprung des Ausgangs-Schaltungsanordnung zur Umwandlung

einer elektrischen Spannung in ein der Höhe dieser Spannung proportionales Zeitintervall zur digitalen Spannungsmessung

Anmelder:

Hewlett-Packard-Company,
PaIoAItO₅CaHf. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. Mi 1958 (Nr. 747 538)

Theodore C. Anderson, Palo Alto, Calif. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

signals des Differenzverstärkers wird zur Erzeugung eines Stoppimpulses differenziert. Solange die Aufladung des Kondensators linear verläuft, steigt auch die Spannung am Kondensator proportional zur Zeit an. Das Zeitintervall zwischen dem Startimpuls und dem Stoppimpuls ist daher proportional der zu messenden Spannung.

Durch kleine Störspannungen, die in Verstärkereinrichtungen praktisch immer vorhanden sind, können jedoch die Meßwerte erheblich verfälscht werden, da solche Störspannungen durch nachfolgende Verstärkerstufen unter Umständen beträchtlich verstärkt werden. Die Störspannungen gehen in das Eingangssignal des Differenzverstärkers ein und verschieben unter Umständen die Lage des Stoppimpulses bezüglich des Startimpulses in unerwünschter Weise.

Durch die Erfindung sollen die Einflüsse solcher Störspannungen beseitigt oder zumindest weitgehend verringert werden.

Eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer elektrischen Spannung in ein der Höhe dieser Spannung proportionales Zeitintervall, währenddessen ein Zähler die von einem Oszillator erzeugten Schwingungen zur digitalen Spannungsmessung zählt, mit einem Gleichspannungs-Differenzverstärker, dessen erster Eingang durch einen Umschalter abwechselnd

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mit Masse oder der umzuwandelnden Spannung verbunden ist und dessen zweitem Eingang eine zeitlineare Sägezahnspannung zuführbar ist, wobei das Zeitintervall einerseits durch einen bei einem Bezugswert der Sägezahnspannung erzeugten Impuls und andererseits durch einen vom Differenzverstärker erzeugten Impuls begrenzt wird, welcher entsteht, wenn die den Eingängen des Differenzverstärkers zugeführten Spannungen annähernd gleich sind, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen den Ausgang des Differenzverstärkers mit dem zweiten Eingang verbindenden Gegenkopplungszweig, der einen Schalter enthält, welcher synchron mit dem Umschalter betätigbar ist und geöffnet ist, wenn der erste Eingang des Differenzverstärkers mit der umzuwandelnden Spannung verbunden ist.

Die Zeichnung zeigt ein teilweise in Blockform gehaltenes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die dargestellte Schaltungsanordnung enthält einen frei schwingenden örtlichen Oszillator 11, der Impulse erzeugt, die untereinander gleiche Abstände besitzen. Die Ausgangsspannung des Oszillators 11 wird einem Oszillatorgatter 13 zugeführt. Das Gatter 13 kann durch einen Startimpuls an einer Eingangsklemme 15 geöffnet und durch einen Stoppimpuls an einer Eingangsklemme 17 wieder gesperrt werden. Eine Ausgangsklemme des Gatters 13 ist mit einem Zähler 19 verbunden. Die zu messende Spannung wird zwischen eine erste Eingangsklemme 31 und eine mit Masse verbundene zweite Eingangsklemme 32 gelegt. Die Klemme 31 oder Masse können wahlweise durch einen einpoligen Umschalter 29 einer Schaltervorrichtung 33 mit einer ersten Eingangsklemme 23 eines Differenzverstärkers 21 verbunden werdender noch eine zweiteEingangsklemme25 und eine Ausgangsklemme 27 besitzt. Die andere Eingangsklemme 25 des Differenzverstärkers ist mit einer nicht geerdeten Klemme 37 eines Signalspeichers, beispielsweise eines einseitig geerdeten Kondensators 39 verbunden. Die Klemme 37 ist außerdem über ein Gatter 43 mit einer einen konstanten Strom liefernden Stromquelle 41 verbunden. Das Gatter 43 wird von einem Taktgeber 45 gesteuert, der außerdem einen Startimpuls über eine Leitung 47 an die Eingangsklemme 15 des Oszillatorgatters 13 liefert.

Die Ausgangsklemme 27 des Differenzverstärkers 21 ist über eine Begrenzerschaltung 49 mit dem Eingang 17 des Oszillatorgatters 13 verbunden. Die Begrenzerschaltung 49 enthält zwei Gleichrichter 53, 55, die einander parallel geschaltet sind und die Ausgangsklemme 27 mit Masse verbinden. Die Ausgangsklemme 27 des Differenzverstärkers ist außerdem über einen Gleichstrom-Gegenkopplungszweig, der einen Strombegrenzungswiderstand 50 und einen einpoligen Ausschalter 51 enthält, mit der zweiten Eingangsklemme 25 des Differenzverstärkers verbunden. Der Schalter 51 gehört ebenso wie der Umschalter 29 zur Schaltervorrichtung 33, und beide Schalter 29, 51 werden gleichzeitig durch den Taktgeber 45 betätigt.

Die dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen: vor der Durchführung einer Spannungsmessung ist die Eingangsklemme 23 über den Umschalter 29 mit Masse verbunden, und der Schalter 51 im Gegenkopplungszweig ist geschlossen. Wenn im Differenzverstärker 21 irgendwelche Störspannungen vorhanden sein sollten, so wird die aus diesen Störspannungen resultierende Ausgangsspannung an der Klemme 27 über den Gegenkopplungszweig und den geschlossenen Schalter 51 auf die Eingangsklemme 25 gegengekoppelt, so daß der Betrag dieser Störspannung an der Ausgangsklemme ganz wesentlich verringert wird, die dadurch praktisch Massepotential annimmt. Im Gleichgewichtszustand liegt dann zwischen der Eingangsklemme 25 und Masse eine zur Ausgangskompensation der erwähnten Störspannungen erforderliche kleine Restspannung E, auf die sich auch der Kondensator 39 auflädt. Diese Restspannung E ist in der Praxis sehr klein.

Wenn nun eine Spannungsmessung durchgeführt werden soll, betätigt der Taktgeber 45 die Schalteranordnung 33, wobei der Schalter 51 im Gegenkopplungszweig geöffnet und die Eingangsklemme 23 des Differenzverstärkers von Masse auf die mit der zu messenden Spannung verbundenen Klemme 31 umgeschaltet wird. Der Differenzverstärker bleibt während der etwa 1 Millisekunde dauernden Umschaltung trotz der Unterbrechung des Gegenkopplungszweiges in seinem abgeglichenen Zustand, da die Kompensationsspannung £ vom Kondensator gehalten wird und nach einem weiteren Zeitintervall von etwa 5 Millisekunden, das ausreicht, um Einschwingvorgänge abklingen zu lassen, liefert der Taktgeber 45 einen Startimpuls an die Eingangsklemme 15 des Oszillatorgatters 13 und öffnet gleichzeitig das Gatter 43, so daß die einen konstanten Strom liefernde Stromquelle 41 mit dem Kondensator 39 verbunden wird, der sich nun aufzuladen beginnt. Wenn die Differenz der an den Eingangsklemmen 23, 25 liegenden Spannungen so klein geworden ist, z. B. kleiner als £"+0,5 mV, daß die Ausgangsspannung an der Klemme 27 unter den Begrenzungspegel sinkt, entsteht an der Ausgangsklemme des Differenzverstärkers ein Spannungssprung, der differenziert und der Eingangsklemme 17 des Oszillatorgatters 13 als Stoppimpuls zugeführt wird. Der Digitalwert der gemessenen Spannung wird nun vom Zähler 19 angezeigt, und der Taktgeber 45 schaltet nun die Schalteranordnung 33 wieder um, so daß die Eingangsklemme 23 über den Umschalter 29 wieder mit Masse verbunden und der Schalter 51 im Gegenkopplungszweig geschlossen wird. Die Spannung, auf die der Kondensator 39 während des Meßvorganges durch die Stromquelle 41 aufgeladen worden ist, gleicht sich über den Gegenkopplungszweig und den Begrenzer 49 aus, und er nimmt schließlich wieder die Spannung E an, die zur Kompensation der Fehlerspannungen erforderlich war. Die Spannung E ist beträchtlich kleiner als die Duxchlaßspannung der Dioden 53, 55 des Begrenzers 49, so daß sie nicht über den Begrenzer kurzgeschlossen wird. Die Schaltungsanordnung ist nunmehr zur Durchführung eines neuen Meßzyklus bereit.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer elektrischen Spannung in ein der Höhe dieser Spannung proportionales Zeitintervall, währenddessen ein Zähler die von einem Oszillator erzeugten Schwingungen zur digitalen Spannungsmessung zählt, mit einem Gleichspannungsdifferenzverstärker, dessen erster Eingang durch einen Umschalter abwechselnd mit Masse oder der umzuwandelnden Spannung ver-

bunden ist und dessen zweitem Eingang eine zeitlineare Sägezahnspannung zuführbar ist, wobei das Zeitintervall einerseits durch einen bei einem Bezugswert der Sägezahnspannung erzeugten Impuls und andererseits durch einen vom Differenzverstärker erzeugten Impuls begrenzt wird, der entsteht, wenn die den Eingängen des Differenzverstärkers zugeführten Spannungen annähernd gleich sind, gekennzeichnet durch einen den Ausgang (27) des Differenzverstärkers (21) mit dem zweiten Eingang (25) verbindenden Gegenkopplungszweig, der einen Schalter (51) enthält, welcher synchron mit dem Umschalter (29) betätigbar ist und geöffnet ist, wenn der erste Eingang (23) des Differenzverstärkers mit der umzuwandernden Spannung verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig einen Strombegrenzungswiderstand (50) enthält.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zwischen dem zweiten Eingang (25) und Masse liegenden Kondensator (39).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine einen konstanten Strom liefernde Stromquelle (41), die zur Erzeugung der zeitlinearen Sägezahnspannung über ein Gatter (43) an den Kondensator (39) anschließbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach Ansprach 4, gekennzeichnet durch einen Taktgeber (45), der den Umschalter (29), den Schalter (51) im Gegenkopplungszweig und das Gatter (43) steuert und beim Öffnen des Gatters den dem Bezugswert der Sägezahnspannung entsprechenden Impuls abgibt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbundenen Begrenzer (49).

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2717 994, 2 824 285.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen