DE1178514B

DE1178514B - Analog-to-digital converter

Info

Publication number: DE1178514B
Application number: DEW27558A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr-Ing Guent Hoffmann
Original assignee: Wandel and Golterman GmbH and Co
Current assignee: Wandel and Golterman GmbH and Co
Priority date: 1960-03-30
Filing date: 1960-03-30
Publication date: 1964-09-24

Description

Analog-Digital-Wandler Zur Umwandlung einer Analogspannung in einen entsprechenden digitalen Wert sind zwei Grundverfahren bekannt.Analog-digital converter For converting an analog voltage into a two basic methods are known for the corresponding digital value.

1. Kompensationsverfahren: Dieses Verfahren benutzt eine Gleichspannung, die schrittweise so lange geändert wird, bis die Differenz Analogspannung-Vergleichsspannung kleiner als der kleinste Digitalwert ist. Die Vergleichsspannung wird über umschaltbare Teiler aus einer Normalgleichspannungsquelle hergeleitet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine sehr hohe Meßgenauigkeit erzielt werden kann. Der Nachteil des Verfahrens sind die mechanischen Schaltkontakte, die den Teller umschalten. Elektronische Schalter können meist nicht verwendet werden, da ihre Restgleichspannungen und Leergleichströme unzulässig hoch sind und somit die Vergleichsspannung verfälschen. Die mechanischen Schalter (Relais, Schrittschalter usw.) ergeben Geräusch und Verschleiß, benötigen relativ große Steuerleistung und lassen nur geringe Schaltfolge zu.1. Compensation method: This method uses a direct voltage, which is changed step by step until the difference between analog voltage and comparison voltage is smaller than the smallest digital value. The comparison voltage is switchable via Divider derived from a normal DC voltage source. This arrangement has the Advantage that a very high measurement accuracy can be achieved. The disadvantage of the Process are the mechanical switching contacts that switch the plate. Electronic Most switches cannot be used because of their residual DC voltages and no-load DC currents are impermissibly high and thus falsify the equivalent voltage. The mechanical Switches (relays, step switches, etc.) produce noise and wear and tear relatively large control power and allow only a small switching sequence.

Nach dem Aufbau der Vergleichsspannung lassen sich zwei Untergruppen des Kompensationsverfahrens unterscheiden: a). Die Vergleichsspannung wird in kleinsten Schritten von Null her aufgebaut, bis sie die Größe der Analogspannung erreicht hat. Diese Anordnung führt zu einer verhältnismäßig einfachen Steuerung, da nur das Erreichen der Analogspannung durch die Vergleichsspannung gekennzeichnet werden muß. Auch die Darstellung der Ergebnisse ist einfach, da die Anzahl der Schaltschritte ein Maß für den Digitalwert ist. Die durch dieses Verfahren bedingte hohe Schalthäufigkeit und damit verbundene lange Meßzeit muß als Nachteil gewertet werden.After the equivalent stress has been built up, two subgroups can be identified differentiate between the compensation method: a). The equivalent stress is in the smallest Steps built up from zero until it reaches the size of the analog voltage Has. This arrangement leads to a relatively simple control, since only the achievement of the analog voltage can be characterized by the comparison voltage got to. The presentation of the results is also easy, because of the number of switching steps is a measure of the digital value. The high switching frequency caused by this process and the associated long measuring time must be seen as a disadvantage.

b) Die Vergleichsspannung wird von größten nach kleinsten Schritten aufgebaut, wobei der Nullindikator jeweils entscheiden muß, ob der nächste Schritt eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Vergleichsspannung ergeben soll: Dieses Verfahren benötigt eine wesentliche geringere Schrittzahl als. das vorige, hat damit geringeren Kontaktverschleiß und ergibt kürzere Meßzeit. Die dadurch bedingte komplizierte Steueranordnung und die komplizierte Umsetzung in das dekadische System, das zur Anzeige benutzt werden muß, sind die Nachteile dieses Verfahrens.b) The equivalent stress is increased from the largest to the smallest built up, whereby the zero indicator must decide in each case whether the next step an increase or decrease in the equivalent stress should result in: This Procedure requires a significantly lower number of steps than. the previous one has with it less contact wear and results in shorter measuring times. The complicated one that this entails Tax arrangement and the complicated implementation in the decadal system used for Display must be used are the disadvantages of this method.

2. Ein zweites Grundverfahren wandelt die Analogspannung in eine Analogzeit um, die in digitalen Schritten (z. B. mit einem Frequenzz'ähler) gemessen wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß keine mechanisch bewegten Teile zur Messung benutzt werden, so daß kein Verschleiß auftritt und sehr kurze Meßzeiten erreichbar sind. Als Nachteil zeigt sich die begrenzte Meßgenauigkeit und die Abhängigkeit des Meßergebnisses von zwei Kriterien, nämlich Spannung und Zeit.2. A second basic procedure converts the analog voltage into an analog time measured in digital steps (e.g. with a frequency counter). The advantage of this method is that there are no mechanically moving parts Measurement are used so that no wear occurs and very short measurement times are attainable. The limited measuring accuracy and the dependency are shown to be disadvantageous the measurement result of two criteria, namely voltage and time.

Ziel der Erfindung ist es, die Vorteile des Kompensationsverfahrens, hohe Meßgenauigkeit, einfache Steuerung und Entschlüsselung, mit denen des zweiten Verfahrens, nämlich kurze Meßzeit und Verwendung elektronischer Schalter, zu vereinen.The aim of the invention is to use the advantages of the compensation method, high measurement accuracy, easy control and decryption, with those of the second Method, namely short measuring time and use of electronic switches to combine.

Bei den bekannten Kompensationsverfahren, bei denen eine Gleichspannung als Kompensationsspannung dient, ist die Verwendung von elektronischen Schaltern zur digitalen Veränderung der Kompensationsspannung kaum möglich, da einfache elektronische Schalter mit Halbleitern im gesperrten Zustand Leckströme und im leitenden Zustand Restspannungen aufweisen können, die die Genauigkeit der digitalen Kompensations-Gleichspannung beeinträchtigen würden. Mit diesen einfachen elektronischen Schaltern (z. B. Diodenschalter) können dagegen Wechselspannungen sehr gut geschaltet werden, weil hierbei die störenden Gleichstromanteile der Schalter ohne Belang sind und lediglich das Schaltverhältnis (Verhältnis der differentiellen Widerstände von leitendem und gesperrtem Elektronenschalter) ausschlaggebend ist, das bei Verwendung geeigneter Elemente (z. B. Siliziumdioden) leicht Werte von 1 : 106 und mehr erreichen kann.In the known compensation method in which a direct voltage serves as compensation voltage, is the use of electronic switches for the digital change of the compensation voltage hardly possible, since simple electronic ones Switches with semiconductors in the blocked state leakage currents and in the conductive state Residual voltages may have that the accuracy of the digital compensation DC voltage would affect. With these simple electronic switches (e.g. diode switches) on the other hand, alternating voltages can be switched very well because the disturbing DC components of the switches are irrelevant and only the switching ratio (Ratio of the differential resistances of conductive and blocked electron switches) The decisive factor is that when using suitable elements (e.g. silicon diodes) can easily reach values of 1: 106 and more.

Es ist auch eine Anordnung, insbesondere für elektronische Rechenmaschinen, zur Uniwandlung von im Binärsystem dargestellten Informationen in solche des Dezimalsystems bekanntgeworden. Hierbei wird die umzuwandelnde Information auf ein nach ber kannten Gesetzen aufgebautes Netzwerk gegeben, an dessen Ausgang die gewünschte Form der Information zur Anzeige oder Weiterverarbeitung zur Verfügung steht. Bei einem Analog-Digital-Wandler für Gleichspannung, insbesondere Digitalvoltmeter, bei dem eine Zählkette verwendet wird und jeder an diese Zählkette gelangende Eingangsimpuls eine Vergrößerung der Vergleichsspannung um den kleinsten digitalen Wert verursacht, so lange bis ein Nullindikator Gleichheit zwischen Analog- und Vergleichsspannung meldet, wobei die Anzahl der Eingangsimpulse zur Anzeige im dekadischen System gebracht wird, können die bei den bekannten Kompensationsverfahren verwendeten mechanischen Schalter durch einfache elektronische Schalter ersetzt werden, indem erfindungsgemäß die Vergleichsspannung eine Wechselspannung, vorzugsweise eine Sinus- oder Rechteckspannung ist, daß der Nullindikator die Differenz zwischen Analogspannung und dem Spitzenwert der Vergleichswechselspannung bewertet und daß die einzelnen Stufen der Vergleichsspannung über elektronische Halbleiter-Schalter eingeschaltet werden.It is also an arrangement, especially for electronic calculating machines, for converting information represented in the binary system into information in the decimal system known. The information to be converted is hereby known Network established by laws, at the exit of which the desired form of the Information is available for display or further processing. at an analog-to-digital converter for direct voltage, in particular a digital voltmeter, in which a counting chain is used and every input pulse that reaches this counting chain causes the equivalent voltage to increase by the smallest digital value, until a zero indicator equals the analog and comparison voltage reports, with the number of input pulses displayed in the decadic system the mechanical used in the known compensation methods Switches can be replaced by simple electronic switches by the invention the comparison voltage is an alternating voltage, preferably a sinusoidal or square wave voltage is that the zero indicator is the difference between analog voltage and the peak value the comparative alternating voltage and that the individual levels of the comparative voltage can be switched on via electronic semiconductor switches.

Ein weiterer Nachteil der Kompensationsverfahren besteht darin, daß die digitale Veränderung der Kompensationsspannung über Widerstandsteiler aus einer konstanten Gleichspannung vorgenommen werden muß, und daß hierzu eine große Anzahl von Präzisionswiderständen und Schaltkontakten erforderlich sind. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer Wechselspannung als Vergleichsspannung dagegen können die Präzisionswiderstände durch Übertrager definierten Übersetzungsverhältnisses ersetzt werden und die galvanisch getrennten Teilspannungen der Übertragerwicklungen lassen sich in sehr einfacher Weise digital addieren, so daß man mit einem Minimum an Schaltkontakten auskommt.Another disadvantage of the compensation method is that the digital change of the compensation voltage via a resistor divider from a constant DC voltage must be made, and that for this purpose a large number precision resistors and switch contacts are required. In the inventive Using an alternating voltage as a reference voltage, on the other hand, can use the precision resistors be replaced by transformers defined transmission ratio and the galvanic separate partial voltages of the transformer windings can be very easily Add digitally so that you get by with a minimum of switching contacts.

Die Erfindung ist weiterhin gekennzeichnet durch Teilspannungen, aus denen sich die Vergleichsspannung zusammensetzt, welche aus einer Wechselspannung konstanter Amplitude -mit- Hilfe von übertragern gebildet werden. Die Erfindung benutzt im Nullindikator eine Anordnung mit einer spannungsabhängigen Reaktanz, deren Änderung ausgenutzt wird, um die Gleichheit zwischen Analogspannung -und, -Vergleichswechselspannung zu kennzeichnen.The invention is further characterized by partial voltages from which make up the equivalent voltage, which consists of an alternating voltage constant amplitude -with- the help of transformers. The invention uses an arrangement with a voltage-dependent reactance in the zero indicator, the change of which is used to ensure equality between analog voltage and, -Comparison AC voltage to be marked.

Um ein jederzeit ausbaufähiges System zu erhalten, wurde die Erfindung weiter ausgebaut, und zwar so, daß jede Ziffernstelle eine dekadische Einheit erhält, die hintereinandergeschaltet werden können und dadurch gekennzeichnet sind, daß sie vier Übertrager, eine an sich bekannte Zähldekade und eine dekadische Anzeige erhalten.The invention was made in order to obtain a system that could be expanded at any time further expanded, in such a way that each digit is given a decadic unit, which can be connected in series and are characterized in that they four transformers, a known counting decade and a decade display obtain.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the drawings.

Über ein an sich bekanntes Eingangsfilter 1, das überlagerte Brummspannung ausfiltert, gelangt die Analogspannung UA zum Nullindikator II und wird dort mit der Vergleichsspannung U,, verglichen (F i g. 1). Wird nun der Spitzenwert dieser Vergleichsspannung genauso groß wie die Analogspannung, oder um einen kleinsten digitalen Spannungswert größer, so schließt ein Signal vom Nullindikator das Tor III (die Verbindung wird unterbrochen), so daß keine weiteren Impulse des Zähloszillators X an den Eingang der Zählkette gelangen können.Via a known input filter 1, the superimposed ripple voltage filters out, the analog voltage UA reaches the zero indicator II and is there with the comparison voltage U ,, compared (Fig. 1). Will now be the peak of this Comparison voltage as large as the analog voltage, or around a smallest digital voltage value is greater, a signal from the zero indicator closes the gate III (the connection is interrupted), so that no further pulses from the counter oscillator X can reach the input of the counting chain.

Die Vergleichswechselspannung wird mit Hilfe von Übertragern und elektronischen Schaltern aus einer Normalwechselspannung erzeugt. Die elektronischen Schalter VI werden von der Zählkette VII gesteuert. Das Übersetzungsverhältnis der Übertrager V ist der Zählkette entsprechend gestuft. Die Sekundärwicklungen der Übertrager sind so in Reihe geschaltet, daß sich die Spannungsbeträge addieren. An den Ausgangsklemmen dieser Reihenschaltung entsteht somit eine Wechselspannung, die in ihrer Amplitude bei jedem Eingangsimpuls auf die Zählkette um den kleinsten digitalen Spannungswert wächst (F i g. 2). Gibt man für die Vergleichsspannung eine maximale Amplitude vor, so verbessert man mit der Anzahl der Übertrager das Auflösungsvermögen.The comparison AC voltage is generated with the help of transformers and electronic Switches generated from a normal alternating voltage. The electronic switches VI are controlled by the counting chain VII. The transformation ratio of the transformers V is graded according to the counting chain. The secondary windings of the transformers are connected in series so that the voltages add up. At the output terminals this series connection thus creates an alternating voltage, which in its amplitude with each input pulse on the counting chain by the smallest digital voltage value grows (Fig. 2). If one specifies a maximum amplitude for the equivalent stress, the number of transformers improves the resolution.

Da man gewohnt ist, Ergebnisse im dekadischen System anzulesen, schaltet man zwischen Zählkette und dekadischer Anzeige eine an sich bekannte Matrix VIII, die eine entsprechende Umsetzung vornimmt. Beispiel In F i g. 1 werden sieben Übertrager verwendet, so daß die Vergleichsspannung von 0 V auf 127 k- UN anwachsen kann. Läßt man eine maximale Vergleichsspannung U".,, = 1,27 V zu, erhält man digitale Schritte von 10 mV. Bei zehn Übertragern und U,,max = 1,023 V erhält man digitale Schritte von 1 mV. Dies entspricht einer echten Verbesserung um den Faktor B. Ein jederzeit erweiterungsfähiges System (F i g. 3) erhält man, wenn man für jede Ziffernstelle eine dekadische Einheit aufbaut, die aus vier übertragern I, einer bekannten Zähldekade 11I, einer dekadischen Anzeige V und einer ebenso bekannten Matrix IV besteht (F i g. 2). Das Übersetzungsverhältnis der Übertrager wurde nach dem Gewichtsprinzip ausgelegt. Die elektronischen Schalter 1I werden von einer Zähldekade so angesteuert, daß zwischen den Klemmen C-D eine Wechselspannung entsteht, die mit jedem Eingangsimpuls auf die Zähldekade um den kleinsten digitalen Spannungswert Ud von 0 bis auf 9 U" zunimmt; der zehnte Eingangsimpuls stellt den Ausgangszustand wieder her, gleichzeitig wird ein Zählimpuls weitergegeben. Durch Aneinanderreihen solcher dekadischer Einheiten kann man eine beliebige Feinstufung der Vergleichsspannung erreichen, wenn man deren maximale Amplitude vorschreibt.Since one is used to reading results in the decadic system, a matrix VIII known per se is switched between the counting chain and the decadic display, which implements a corresponding conversion. Example In Fig. 1, seven transformers are used, so that the comparison voltage can increase from 0 V to 127 k- UN . If a maximum comparison voltage U ". ,, = 1.27 V is allowed, digital steps of 10 mV are obtained. With ten transformers and U ,, max = 1.023 V, digital steps of 1 mV are obtained. This corresponds to a real improvement of the factor B. A system that can be expanded at any time (Fig. 3) is obtained if a decadic unit is built up for each digit, which consists of four transmitters I, a known counting decade 11I, a decade display V and an equally well-known matrix IV (Fig. 2) The transmission ratio of the transformers was designed according to the weight principle: The electronic switches 1I are controlled by a counting decade in such a way that an alternating voltage arises between the terminals CD, which with each input pulse on the counting decade by the smallest digital voltage value Ud increases from 0 to 9 U "; the tenth input pulse restores the initial state and a counting pulse is passed on at the same time. By stringing together such decadic units, you can achieve any fine grading of the equivalent voltage if you specify its maximum amplitude.

Der im Vergleich zur Grundschaltung etwas größere Aufwand an Übertragern wird durch den oben erwähnten Vorteil aufgewogen, daß nämlich Zähldekade, Matrix und Anzeigeeinheit untereinander austauschbar sind, so daß bei einer Erweiterung des Grundsystems nur vier Übertrager mit entsprechendem Übersetzungsverhältnis in Reihe geschaltet werden müssen, ihre Ansteuerung und die Anzeige erfolgt mit denselben Einheiten wie an den bereits vorhandenen Stellen.The somewhat greater effort in terms of transformers compared to the basic circuit is outweighed by the advantage mentioned above, that is, counting decade, matrix and display unit are interchangeable so that when expanded of the basic system only four transformers with the corresponding transformation ratio in Must be connected in series, their control and the display takes place with the same Units as in the already existing places.

Die Erfindung ist nicht auf die beiden erläuterten Schaltungsanordnungen beschränkt; als Zählkette kann jedes System verwendet werden, wenn übertrager und Matrix entsprechend gewählt werden.The invention is not limited to the two circuit arrangements explained limited; Any system can be used as a counting chain if transmitters and Matrix can be chosen accordingly.

Claims

Claims: 1. Analog-to-digital converter for direct voltage, in particular Digital voltmeter in which a counting chain is used and everyone on this counting chain incoming input pulse increases the comparison voltage by the smallest digital value until a zero indicator equals analogue and comparative voltage reports, with the number of input pulses for display brought in the decadal system is characterized in that an alternating voltage, preferably a sinusoidal or square-wave voltage, as a reference voltage Voltage is used to make the zero indicator the difference between analog voltage and the peak value of the comparison AC voltage and that the individual stages the comparison voltage can be switched on via electronic semiconductor switches.

2. Analog-digital converter according to claim 1, characterized in that the partial voltages from which the comparison voltage is built up, from a constant amplitude AC voltage can be formed with the help of transformers.

3. Analog-to-digital converter according to claim 1, characterized in that in the zero indicator a voltage-dependent Reactance, in particular a capacitance diode (varicap) is used.

4. Analog-to-digital converter according to claim 1, characterized in that decadic units per digit are built up, consisting of four transformers of a known counting decade with matrix and decadic display and which are connected in series as required can without changing anything in the existing system. Considered publications: U.S. Patent No. 2,738,504.