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Analog-Digital-Wandler Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler.
Derartige Einrichtungen werden z. B. in der Fernmeldetechnik, insbesondere der Fernmeßtechnik
zur Umwandlung von Meßwerten, die jeden beliebigen Wert in einem Meßbereich annehmen
können (Analogwert), in ein für die übertragung auf Leitungen besser geeignetes
Signal mit eindeutigen Ja-Nein-Aussagen (Digitalwert) eingesetzt. Als Digitalwert
kann z. B. eine Impulsfolge gewählt werden, bei der die Anzahl der Impulse angibt,
wievielmal größer der umzuwandelnde Analogwert ist, als ein Vergleichswert,
d. h. die Maßeinheit. Die Anwendung des Analog-Digital-Wandlers bleibt jedoch
nicht nur auf die Fernmeßtechnik beschränkt, er kann überall dort eingesetzt werden,
wo ein stetig veränderbarer Wert in digitaler Form darzustellen ist.
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Es sind verschiedene Analog-Digital-Wandler bekannt, die alle auf
dem Prinzip beruhen, eine Drehbewegung auf mechanische Art in digitaler Form zu
erfassen. Auf einer Kreisscheibe sind mehrere Kontaktbahnen angeordnet, die von
Kontakten abgegriffen werden. Die einzelnen Segmente der Kreisscheibe tragen
je nach gewähltem Code unterschiedlich leitende und nichtleitende Teile.
Je nach Stellung der Kreisscheibe steuern auf diese Weise die Segmentteile die angeschalteten
Schaltmittel. Der Zustand der Schaltmittel ist über den gewählten Code ein Maß für
die ausgeführte Drehbewegung. Alle diese Analog-Digital-Wandler sind mechanisch
sehr kompliziert und haben keine große Umwandlungsgeschwindigkeit, besonders dann,
wenn der Analogwert bei jeder Umwandlung neu erfaßt wird, d. h. die Codeumwandlungseinrichtung
erst auf ihre entsprechende Stellung gebracht werden muß.
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In vielen Anwendungsfällen liegen die umzuwandelnden Analogwerte bereits
als elektrische Größe, z. B. Strom oder Spannung vor. Andere bekannte Analog-Digital-Wandler
führen bei diesen Gegebenheiten einen Vergleich des Analogwertes mit einem '#,"ergleichswert
durch.
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Bei einem bekannten Wandler wird z. B. über eine von einem Spannungsteiler
in mehrere bestimmte Stufen unterteilte Vergleichsspannung der Reihe nach ermittelt,
ob der Analogwert größer oder kleiner als 5011/o des maximalen Analogwertes ist.
In einem weiteren Schritt wird in Abhängigkeit von dem erhaltenen Ergebnis geprüft,
ob der Analogwert kleiner oder größer als 75"/o bzw. 25% ist. Der nächste Schritt
der Umwandlung bringt die Entscheidung, ob der Analogwert kleiner oder größer als
12,5"/o, 37,50/0, 62,5-% bzw. 87,511/o ist, ebenfalls in Abhängigkeit von den Ergebnissen
der beiden vorausgegangenen Abfrageschritten. Die Anzahl der Abfrageschritte ist
durch die gewünschte Umwandlungsgenauigkeit gegeben. Werden acht Abfrageschritte
vorgesehen, dann kann der Analogwert bis auf 100: 256 0,4% genau ermittelt werden.
Er ist durch den achtstelligen Binärcode dargestellt und kann bereits bei der Umwandlung
in Seriendarstellung für die übertragung erhalten werden. Dieser Wandler benötigt
außer einer konstanten Vergleichsspannung eine Fortschaltekette und einen empfindlichen
Indikator, der noch den kleinsten Teilbetrag des Analogwertes sicher unterscheiden
können muß.
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Ein anderer bekannter Analog-Digital-Wandler, auch als Digitalvoltmeter
bekannt, beruht auf einem Kompensationsprinzip. Zu Beginn der Umwandlung wird eine
Sägezahnspannung eingeschaltet und gleichzeitig ein Impulsgeber angelassen. Erreicht
die Sägezahnspannung den Wert der zu messenden Spannung, dann wird der Impulsgeber
durch einen Indikator abgeschaltet. Die Anzahl der bis zur Abschaltung abgegebenen
Impulse ist dann direkt ein Maß für die gemessene Spannung. Die Anstiegszeit der
Sägezahnspannung und die Impulsfolgefrequenz des Impulsgebers sind durch das gewünschte
Auflösungsvermögen vorgegeben.
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Jeder Impuls, der während der Umwandlung abgegeben wird, stellt den
kleinsten Meßbetrag dar. Die Amplitude der Sägezahnspannung muß den gesamten Meßbereich
durchlaufen können, um auch den Maximalwert der Meßspannung in Impulsform darstellen
zu können. Der für die Abschaltung vorgesehene
Indikator muß genauso
empfindlich sein, wie der bei der vorher beschriebenen Anordnung.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Analog-Digital-Wandler zu schaffen,
der rein elektronisch und mit wesentlich weniger Aufwand aufgebaut werden kann.
Der Analog-Digital-Wandler nach der Erfindung, bei dem der umzuwandelnde Analogwert
in Form eines dem Analogwert proportionalen Meßstromes vorliegt, ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßstrom zur Umwandlung über eine Kette von Tunneldioden mit verschiedenen,
über den gesamten Meßbereich verteilten Hügelströmen geleitet wird, und daß die
Einstellung einer dem Wert des Meßstromes entsprechenden Anzahl von Tunneldioden
vom Zustand kleinen Spannungsabfalles in den Zustand großen Spannungsabfalles durch
eine One-Shot-Schaltung unter Abgabe von einer entsprechenden Anzahl von Impulsen
in vorgegebener Zeitfolge durchgeführt wird. Die Umwandlung und Ab-
gabe der
Impulse erfolgt dabei zwangläufig, und die Meßgenauigkeit ist nur durch die Hügelströme
der Tunneldioden bestimmt. Da diese Stromwerte beim Einzelexemplar sehr konstant
sind und auch in großen Bereichen variierbar sind, kann mit dieser Anordnung ein
einfacher und doch zuverlässig arbeitender Analog-Digital-Wandler aufgebaut werden.
Bei der Umwandlung werden alle Tunneldioden, die einen Hügelstrom aufweisen, der
kleiner als die Summe von eingeprägtem Grundstrom und Meßstrom ist, in den Zustand
großen Spannungsabfalles gebracht. Der eingeprägte Grundstrom über die Tunneldioden
ist so bemessen, daß er größer ist als der größte Talstrom und kleiner als der kleinste
Hügelstrom aller der in der Kette angeordneten Tunneldioden. Auf diese Weise wird
sichergestellt, daß der Schaltzustand der Tunneldiodenkette unabhängig von der Stellung
der One-Shot-Schaltung erhalten bleibt. Die Hügelströme der in der Kette angeordneten
Tunneldioden sind gleichmäßig über den gesamten Meßbereich verteilt. Man kann dann
die Umwandlung des analogen Meßstromes in eine entsprechende Anzahl von gleichgroßen
Meßeinheiten durchführen. Die Anzeige erfolgt dabei stets am Ausgang der One-Shot-Schaltung.
In die Kette können nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers
auch zusätzliche Tunneldioden eingeschaltet werden, deren Hügelströme so gewählt
sind, daß ein oder mehrere Teilbereiche des Gesamtmeßbereiches in mehrere kleinere
Meßeinheiten unterteilt werden. Auf diese Weise läßt sich ein Teil des Meßbereiches
viel genauer erfassen als der übrige Teil. Die Impulsfolgefrequenz des Wandlers
ist erfindungsgemäß an die Änderungsgeschwindigkeit des Analogwertes angepaßt, damit
jede Änderung des Analogwertes erfaßt wird. Vor einer Umwandlung werden alle Tunneldioden
in den Zustand kleinen Spannungsabfalles überführt. Dies kann z. B. in einfachster
Weise durch kurzzeitigen Kurzschluß der Tunneldioden erreicht werden. Die One-Shot-Schaltung
befindet sich in der Ruhelage und über die Tunneldioden fließt nur der eingeprägte
Grundstrom. Zur Umwandlung wird der Meßstrom über die Tunneldioden geleitet. Durch
den Stromanstieg wird der Hügelstrom der Tunneldiode mit dem niedrigsten Hügelstrom
überschritten, und der an der Tunneldiodenkette auftretende Spannungsimpuls wird
zur Umsteuerung der One-Shot-Schaltung ausgenutzt. In der Arbeitslage der One-Shot-C
Schaltung wird der Stromfluß über die Turineldiode wieder auf den Grundstrom reduziert.
Nach der Standzeit der One-Shot-Schaltung wird über eine zusätzliche Verzögerungsschaltung
der Strornfluß über die Tunneldioden verzögert wieder freigegeben. Dieser Vorgang
wiederholt sich so lange, bis alle Tunneldioden mit einem Hügelstrom, der kleiner
ist als der umzuwandelnde Meßstrom, in den Zustand großen Spannungsabfalles überführt
sind. Die bei der Umwandlung abgegebene Anzahl von Impulsen am Ausgang der One-Shot-Schaltung
ist direkt ein Maß für den gemessenen Analogwert. Nach einer weiteren Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers ist am Ausgang der One-Shot-Schaltung
eine Zeitschaltung angeschaltet, die das Ende der Impulsfolge feststellt und automatisch
eine neue Umwandlung des Analogwertes einleitet. Die Impuls- und Pausenzeit der
Impulsfolge kann erfindungsgemäß durch die Standzeit der One-Shot-Schaltung und
die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes eingestellt werden. Am Ausgang der
One-Shot-Schaltung ist nach einer weiteren Ausgestaltung des Analog-Digital-Wandlers
ein Integrierglied angeschaltet, das die abgegebene Impulsfolge in einen Impuls
bestimmter Länge umwandelt. Die Zeitdauer des Ausgangsimpulses des Integriergliedes
ist dann direkt ein Maß für den gemessenen Analogwert.
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Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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In der Ausgangsstellung befindet sich die One-Shot-Schaltung OS in
der Ruhestellung. Dabei ist der Transistor Trl leitend und der Transistor Tr2 nichtleitend.
über den Spannungsteiler R 1, R 2, R 3 und die Dioden
D2 und D3 liegt die Basis des Transistors Tr3 auf Nullpotential, so
daß dieser Transistor nichtleitend ist. Der Stromkreis K stellt den auf den Meßstrom
Jk umgewandelten Analogwert dar. Wird die Umwandlung eingeleitet, dann wird der
Kontaktu geschlossen. Der Stromfluß über die Tunneldiodenkette TDK wird dadurch
erhöht. Im Ruhezustand speist der WiderstandRo die Tunneldiodenkette mit dem eingeprägten
Grundstrom. Bekanntlich weist die Tunneldiode in einem bestimmten Strombereich für
einen bestimmten Stromwert zwei verschiedene stabile Arbeitspunkte auf. Der Spannungsabfall
an der Tunneldiode ist dabei verschieden groß. Die Tunneldiode läßt sich damit als
bistabiles Speicherelement verwenden. Der Übergang von dem einen Zustand in den
anderen Zustand erfolgt dann, wenn der Strom über die Tunneldiode den Hügelstrom
übersteigt. Dieser Stromwert der Tunneldiode ist sehr konstant und vor allem temperaturunabhängig.
Es lassen sich TÜnneldioden mit Hügelströmen von einigen Milliampere bis zu einigen
Ampere aufbauen. Es steht damit ein in großem Bereich variierbares Meßelement zur
Verfügung. Die Tunneldiodenkette in dem Analog-Digital-Wandler hat die Aufgabe den
Analogwert über den gesamten Meßbereich stufenweise anzuzeigen. Die Hügelströme
der Tunneldioden werden so gewählt, daß sie über den gesamten Meßbereich verteilt
sind. Übersteigt der Strom über die Tunneldiodenkette den Wert eines Hügelstromes
einer beliebigen Tunneldiode, dann tritt an der Tunneldiodenkette ein Spannungssprung
auf. Dieser Vorgang wird zur Umwandlung des Analogwertes in den entsprechenden Digitalwert
verwendet.
Wird der Meßstrom Jk über die Tunneldiodenkette geleitet,
dann fließt ein Strom, der durch die Summe von eingeprägtem Grundstrom und Meßstrom
gegeben ist. Der Grundstrom ist so groß gewählt, daß der Schaltzustand der Tunneldiodenkette
auch bei gesperrtem Meßstrom nicht verändert wird. Dies ist dann der Fall, wenn
der Grundstrom größer ist als der größte Talstrom und kleiner als der kleinste Hügelstrom
aller in der Kette angeordneten Tunneldioden. Bei der Stromerhöhung über die Tunneldiodenkette
geht zunächst die Tunneldiode mit dem kleinsten Hügelstrom in den Zustand großen
Spannungsabfalles über. Dieser Übergang erfolgt sprungartig, und der auftretende
Spannungsstoß wird über den Doppelkondensator Ck auf die Basis des Transistors Trl
geleitet. Der Transistor Trl wird dadurch nichtleitend, und die One-Shot-Schaltung
ist umgesteuert. Der Transistor Tr2 wird leitend und dadurch die Spannungsverhältnisse
im Steuerkreis des Transistors Tr3 so verlagert, daß dieser Transistor leitend wird.
Der Meßstrom wird über den Transistor Tr3 abgeleitet, so daß über die Tunneldiodenkette
nur noch der Grundstrom fließt. Die Diode D trennt Meßstromkreis und Tunneldiodenstromkreis
voneinander. Nach der Standzeit kehrt die One-Shot-Schaltung wieder in die Ausgangslage
zurück. Der Transistor Trl wird wieder leitend. Solange Trl nichtleitend war, wurde
der Kondensator C aufgeladen, der sich nach Leitendwerden von Trl wieder
entladen kann. Solange dieser Entladevorgang andauert, wird der Transistor Tr3 leitend
gehalten. Über das Verzögerungsglied aus Kondensator C und Widerstand R wird
die Einschaltung des Meßstromes verzögert. Während der Standzeit der Ohne-Shot-Schaltung
tritt am Ausgang A ein negativer Impuls auf. Über die verzögerte Einschaltung
des Meßstromes wird eine genügend große Pause in der Impulsfolge erreicht. Ist der
Entladevorgang des Kondensators C
beendet, dann wird der Transistor Tr3 wieder
nichtleitend. Die Diode D wird leitend, und der Meßstrom beginnt wieder über
die Tunneldiodenkette zu fließen. Wird wieder der Wert eines Hügelstromes einer
Tunneldiode überschritten, dann tritt der sprungartige Übergang in den anderen Zustand
ein, und der Vorgang wiederholt sich. Die One-Shot-Schaltung wird umgesteuert. Während
der Standzeit wird der Impulsausgang A negatives Potential annehmen. Nach
der Rückkehr der One-Shot-Schaltung in die Ruhelage wird der Kondensator
C wieder entladen und die Einschaltung des Meßstromes somit verzögert. Dieses
Spiel wiederholt sich so lange, bis alle Tunneldioden, deren Hügelströme kleiner
als die Summe von Grundstrom und Meßstrom sind, in den Zustand großen Spannungsabfalles
übergegangen sind. Die One-Shot-Schaltung bleibt dann in der Ruhelage. Der Transistor
Trl ist leitend, und der Impulsausgang A nimmt Nullpotential ein.
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Schaltet man an den Impulsausgang A ein Zeitglied an, dann
läßt sich in einfacher Weise das Ende der Umwandlung feststellen. Die während der
Umwandlung abgegebene Impulsfolge weist bestimmte Zeiten in bezug auf Impuls und
Pause auf. Die Anzahl der abgegebenen Impulse ist direkt ein Maß für den umgewandelten
Analogwert. Diese Impulse können über eine Zahleinrichtung sofort abgezählt werden
oder noch über eine Leitung übertragen werden. Durch die Standzeit der One-Shot-Schaltung
und durch die Entladezeit des Zeitkreises C, R lassen sich
die Zeiten für Impuls und Pause einstellen. überschreitet die Pause den vorgegebenen
Zeitwert, dann ist dies das Zeichen dafür, daß die Umwandlung beendet ist. Durch
ein einfaches Zeitglied läßt sich dies am Impulsausgang A feststellen. Das
Zeitglied weist ein Schaltmittel auf, das die Rückstellung der Tunneldioden einleitet
und dann die erneute Umwandlung des Analogwertes freigibt. Auf diese Weise läßt
sich ein Analogwert dauernd überwachen und in digitaler Form erfassen. Die Impulsfolgefrequenz
des Analog-Digital-Wandlers ist an die Änderungsgeschwindigkeit des Analogwertes
anzupassen, damit die zeitliche Änderung des Analogwertes genügend genau ermittelt
wird.
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Am Impulsausgang A läßt sich auch ein Integrierglied anschalten,
das die abgegebene Impulsfolge direkt in einen Impuls bestimmter Länge umwandelt.
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Das gezeigte Ausführungsbeispiel stellt nur eine Lösung unter Verwendung
des Grundgedankens dar. Es sind verschiedene Schaltungsvarianten ausführbar, die
jedoch alle Tunneldioden als Meßelemente zur Umwandlung eines Analogwertes in digitale
Form verwenden. So ist es z. B. möglich, die Tunneldiodenkette auch direkt in den
Ausgangskreis der One-Shot-Schaltung einzufügen.