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Anordnung zur Umformung eines analogen Meßwertes in eine digitale
Form Für die Übertragung oder Weiterverarbeitung eines Meßwertes; der in analoger
Form zur Verfügung steht, ist es häufig notwendig, diese in eine digitale Form zu
bringen. Hierfür sind bereits viele Anordnungen bekannt, die teils elektromechanisch,
teils elektronisch arbeiten. Die Ausführung eines solchen Analog-Digital-Wandlers
hängt von der Problemstellung ab. So kann der analoge Meßwert mechanisch als Weg
oder Winkel, elektrisch als Amplitude, Phase, Frequenz oder Kurvenform einer Gleich-
bzw. Wechselspannung zur Verfügung stehen. Als Ausgangsgröße wird zumeist die Parallel-
oder Seriendarstellung des Meßwertes in einem bestimmten Code mit einer bestimmten
Stellenzahl gefordert. Ferner hängt die Ausführung davon ab, ob die Umwandlung einmalig
oder repetierend erfolgen soll und in welcher Zeit die Umwandlung gewünscht wird.
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Eine bekannte Methode zur Umwandlung von Meßwerten in Form einer Gleichspannung
bewertet den Inhalt einer Speicheranordnung mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers,
an dessen Ausgang ebenfalls eine Gleichspannung erscheint. Diese Bewertungsgröße
wird mit der Meßgröße verglichen und die Speicheranordnung über eine Steuervorrichtung
in einen solchen Zustand gebracht, daß Bewertungs- und Meßgröße einander gleich
sind bzw. um weniger als eine Einheit der Speicheranordnung differieren. Soll die
Meßgröße in digitaler Form, z. B. im natürlich-binären Code erscheinen, so sind
den einzelnen Speichern Wertigkeiten zugeordnet, die nach den Potenzen von zwei
gestaffelt sind. Der Abgleich geht so vor sich, daß erst nur der Speicher mit der
höchsten Wertigkeit auf den Digital-Analog-Wandler gegeben wird, wobei geprüft wird,
ob die Bewertung größer oder kleiner als die Meßgröße ist. Ist die Bewertung größer,
wird der Speicher wieder abgeschaltet; ist die Bewertung kleiner, bleibt er eingeschaltet,
und der Speicher mit der nächstniedrigen Wertigkeit wird dazugeschaltet. Nun wird
geprüft, ob die Bewertung beider Speicher zusammen größer oder kleiner als die Meßgröße
ist, und das Verfahren bis zur kleinsten Stelle, d. h. bis zum Speicher kleinster
Wertigkeit fortgesetzt, worauf am Ausgang das digitale Ergebnis abgenommen werden
kann. Soll die Verschlüsselung in einem anderen Code, z. B. dekadisch erfolgen,
so erhält jede Stelle eine Anordnung von mindestens vier Speichern, mit der sich
die Zahlen 0 bis 9 darstellen und bewerten lassen.
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Das geschilderte Verfahren ist zunächst nur für eine einmalige Umwandlung
des Meßwertes geeignet. Ist dieser selbst veränderlich, so muß das gewonnene digitale
Ergebnis unter Umständen in einen zweiten Speicher eingegeben werden, und die Steuervorrichtung
muß eine zyklische Wiederholung des beschriebenen Abgleichverfahrens veranlassen.
Für einen Abgleich sind jeweils so viele Arbeitstakte nötig, wie Stellen für das
Ergebnis vorgesehen sind. Nachteilig bei dieser Methode ist der Aufwand für die
komplizierte Steuervorrichtung sowie für den zweiten Speicher, der erforderlich
ist, wenn das digitale Ergebnis zeitlich lückenlos benötigt wird.
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Derartige Analog-Digital-Wandler arbeiten meist mit einer Genauigkeit
von drei bis vier Dezimalstellen, wobei zusätzlich noch das Vorzeichen der Meßgröße
angezeigt werden kann. Für viele Anwendungen sind nun auch geringere Genauigkeiten
ausreichend; die dadurch mögliche Aufwandsersparnis ist jedoch bei dieser Methode
sehr gering.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt dagegen eine Anordnung zur Umformung
eines analogen Meßwertes in eine digitale Form., die zu einer wesentlichen Vereinfachung
führt.
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Erfindungsgemäß wird dieses mittels eines Analog-Digital-Wandlers,
der aus einem von einem Impulsgeber betätigten Zähler besteht, dem ein Digital-Analog-Wandler
nachgeschaltet ist und dessen Ausgangsgröße in einer Vergleichsstufe mit dem Meßwert
verglichen wird, erreicht; indem die Ausgangsgröße der Vergleichsstufe einer Taktvorrichtung
zugeführt wird, die ihrerseits in Abhängigkeit von gegenüber dem Zähler zeitlich
versetzten Impulsen des Impulsgebers eine Steuervorrichtung zum Vor- und Rückwärtszählen
bzw. Anhalten des Zählers beeinflußt.
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An Hand eines Zeichnungsbeispieles sei die Erfindung näher erläutert:
In F i g. 1 ist ein. Analog-Digital-Wandler dargestellt. 1 ist die Meßspannung,
2 ist ein Zähler mit einer Steuervorrichtung 3; der Zähler kann in bekannter Weise
nach einem binären oder dezimal bewertbaren
Code arbeiten; er kann
mit Hilfe der Steuervorrichtung in die drei Zustände »Vorwärtszählen«, »Rückwärtszählen«
und »Halt« gebracht werden. Die Zählimpulse liefert ein Impulsgeber 4. Dieser Impulsgeber
gibt im gewählten Beispiel eine Rechteckspannung ab. Dem Zähler 2 ist ein Digital-Analog-Wandler
7 nachgeschaltet. Am Ausgang 5 dieses Digital-Analog-Wandlers steht der Zählerstand
als analoge Größe, z. B. in Form einer sich treppenförmig ändernden Gleichspannung
zur Verfügung. Diese bewertete Spannung wird in einer Vergleichsvorrichtung 6 mit
der Meßspannung 1 verglichen. Da die Meßgröße 1 einen analogen Wert liefert,
muß dem Zähler 2 ein Digital-Analog-Wandler 7 nachgeschaltet werden, damit am Ausgang
5 ein Analogwert ansteht, der mit dem Analogwert der Meßstelle 1 in der Vergleichsvorrichtung
6 verglichen werden kann.
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Es werden nun nicht die einzelnen Stellen des Zählers nacheinander
ein- oder ausgeschaltet, sondern der Ausgang der Vergleichsvorrichtung 6 läßt über
die Steuervorrichtung 3 den Zähler kontinuierlich vorwärts oder rückwärts laufen,
bis die bewertete Größe und die Meßgröße innerhalb der Grenzen einer Zähleinheit
gleich sind. Unter einer Zähleinheit wird stets die kleinste Einheit verstanden,
um die der Zähler weiterzählen kann.
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Der Digital-Analog-Wandler 7, die Vergleichsvorrichtung 6, die Steuervorrichtung
3 und der Zähler 2 sind zu einem Regelkreis zusammengeschlossen. Dieser Regelkreis
kann durch die endliche Umschaltzeit des Zählers instabil werden. Sie bewirkt, daß
der Zählerstand beim Weiterschalten von einer Zahl zur nächsten kurzzeitig völlig
andere Zahlen darstellen kann. So nimmt z. B. ein vierstelliger Binärzähler beim
Übergang von 7 auf 8 nacheinander die Zustände 6, 4 und 0 ein. Ein solcher Binärzähler
arbeitet nach Potenzen von zwei, also 20+21+22 . . . Am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers
7 erscheinen daher keine sauberen Treppenstufen, sondern zusätzliche Störspitzen
an den Kanten der Treppen, wodurch die Vergleichsvorrichtung 6 unter Umständen keinen
Abgleich feststellen kann. Hierdurch wird der Regelkreis instabil, und der Zähler
wird fortwährend zwischen zwei Zahlen vor- und rückwärts zählen oder auch springen.
Ein Dämpfen dieser Störspitzen durch Integrationsglieder ist nur möglich, wenn eine
unter Umständen erhebliche Einbuße an Zählgeschwindigkeit in Kauf genommen wird.
Nach der Erfindung werden diese geschilderten Schwierigkeiten dadurch umgangen,
daß eine Taktvorrichtung 8 dafür sorgt, daß die Steuervorrichtung ihre drei Zustände
»Vorwärts«, »Rückwärts« oder »Halt« nur zu bestimmten Zeitpunkten, die zwischen
den Zählimpulsen des Zählers liegen, ändern kann. Diese Zeitpunkte können in einfacher
Form gewonnen werden, indem als Zähltakte eine Rechteckspannung mit bestimmtem Taktverhältnis
verwendet wird. Diese Zähltakte werden ebenfalls von dem Impulsgeber 4 geliefert.
Das kann beispielsweise so vonstatten gehen, daß die positiv gerichteten Flanken
der Rechteckspannung zum Weiterschalten des Zählers, die negativ gerichteten Flanken
dagegen zum Umschalten der Steuervorrichtung 3 ausgenutzt werden. Die Taktvorrichtung
8 kann aus zwei bistabilen Kippstufen bestehen, denen Tore vorgeschaltet sind. Am
kapazitiven Eingang dieser Tore werden die Taktimpulse vom Impulsgeber 4 und am
ohmschen Eingang die von der Vergleichsvorrichtung 6 kommenden Steuerspannungen
angelegt. Steht also an der Taktvorrichtung 8 eine Steuerspannung der Vergleichsvorrichtung
6 an, so wird nur dann ein Anstoß an die Steuervorrichtung 3 weitergegeben, wenn
der verarbeitbare Impuls des Impulsgebers 4 eintrifft.
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Die Vorteile dieser beschriebenen Methode liegen vor allem im geringen
Aufwand. Als Beispiel sei angeführt, daß ein Analog-Digital-Wandler für sieben Binärstellen,
also mit einer Genauigkeit von 2-7 nach diesem Verfahren mit 44 Transistoren auskommt,
während die bekannten Vorrichtungen wesentlich mehr benötigen. Am digitalen Ausgang,
d. h. an den Ausgängen der einzelnen Zählerstufen kann das Ergebnis jederzeit abgenommen
werden, ohne daß ein Hilfsspeicher nötig ist. Dieses ist ebenfalls bei den bisher
bekannten Ausführungen nicht möglich, da diese stets auf Null zurückgestellt und
neu abgeglichen werden müssen. Die Anzahl der Arbeits-oder Zähltakte ist hier nicht
durch die Stellenzahl des Zählers 2, sondern im Grenzfall durch die höchste Gesamtzahl
des Zählers gegeben. Bei einem Zähltakt von der Impulsfolgefrequenz f2 des Taktgebers
4 und der höchsten Stufenzahl zmax des Zählers 2 benötigt der Abgleich im ungünstigsten
Fall eine Zeit von
beispielsweise bei einem Sprung der Meßgröße 1 von Null auf den höchsten
Wert.
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Der Analog-Digital-Wandler muß die Fähigkeit besitzen, den Änderungen
der Meßgröße 1 zu folgen. Als Grenzfall gilt hierfür die Grenzfrequenz f, des Analog-Digital-Wandlers,
die definiert ist durch die höchste Frequenz der Meßspannung 1, bei der die
bewertete Spannung am Ausgang 5 des Digital-Analog-Wandlers 7 in jedem Zeitpunkt
um höchstens eine Zähleinheit von der Meßspannung abweicht. Sie hängt außer von
der Impulsfolgefrequenz f. des Taktgebers 4 noch von der Amplitude der Meßspannung
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ab. Dieses ist in F i g. 2 dargestellt.
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Mit A ist die Amplitude der Meßspannung bezeichnet, diese entspricht
z Zählstufen. Die Grenzfrequenz errechnet sich dann so
Für das oben erwähnte Beispiel eines Zählers mit sieben Binärstellen, also zmQx
= 27 = 128 und einer Zählfrequenz von f= = 25 kHz erhält man eine maximale
Abgleichzeit von to =5 msec und eine minimale Grenzfrequenz von f8 = 62 Hz. Durch
Verwendung geeigneter Bauelemente lassen sich diese Werte erforderlichenfalls noch
erheblich verbessern.
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Die Erfindung kann sowohl mit Transistoren, Röhren oder auch mit Relais
durchgeführt werden.