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Verfahren zur Spannungs-Zeitumformung für Analog-Digital-Umsetzer
Zur Analog-Digital-Umsetzung ist es bekannt, rein elektrische oder elektromechanische
Umformer einzusetzen. Im ersteren Falle findet vielfach zunächst eine Zwischenumformung
beispielsweise der als Spannung vorliegenden analogen Größe in eine Zeit statt,
die ihrerseits die Öffnungszeit einer Torschaltung für eine konstante Impulsfrequenz
vorgibt. Durch Auszählung der auf einen Zähler gelangenden Impulsfolge ergibt sich
schließlich der digitale Endwert.
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Bei einem bekannten Spannungs-Zeitumformer wird die umzuformende Spannung
mit einer Sägezahnspannung verglichen. Die Zeitdauer des Anstiegs der Sägezahnspannung
bis zum Schnittpunkt mit der umzuformenden Spannung wird dann ausgegeben und kann
zur Ansteuerung einer Torschaltung im obigen Sinn verwertet werden. Nur bei exakt
linearem Flankenanstieg der Sägezahnspannung ist die Umwandlungscharakteristik des
Umformers ebenfalls linear. Die ausgegebene Zeitdauer ist hierbei ein Maß für den
Augenblickswert der eingegebenen Gleichspannung am Schnittpunkt mit der Sägezahnspannung,
genau wie der nach Weiterverarbeitung in einem oben beschriebenen Analog-Digital-Umsetzer
im Zähler eingespeicherte Zählwert nicht einen Mittelwert, sondern einen Momentanwert
verkörpert (K. S t e i n b u c h, Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung, Berlin/
Göttingen/Heidelberg, 1962, S. 773, 774).
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Bei der vorliegenden Erfindung wird von einem bekannten induktiven
Speicher .Gebrauch gemacht, der nacheinander zunächst während einer vorgegebenen
Zeitdauer mit einer Spannung und daran anschließend mit einer anderen Spannung beaufschlagt
wird. Da durch die Ausbildung des Speichers die dabei aufgenommenen Spannungszeitintegrale
einander entgegengesetzt gleich sind, wird eine von dem Verhältnis der beiden Spannungen
abhängige Zeitdauer gebildet (Zeitschrift AIEE Transactions, Part I, November 1955,
S. 643 bis 647, und deutsche Auslegeschrift 1116 725).
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in einem induktiven Speicher
bei einer Ummagnetisierung von einem Punkt der vorzugsweise praktisch rechteckigen
Hystereseschleife zum anderen, beispielsweise von einer ersten Sättigungslage in
die zweite unabhängig von der Richtung der Magnetisierung immer gleichbleibende
Spannungszeitintegrale umgesetzt werden. Diese Eigenschaft derartiger Speicher,
die gewöhnlich als Transformatoren ausgeführt sind, wird in anderen technischen
Sachgebieten bereits seit langem ausgenutzt. So beruhen beispielsweise Magnetverstärker,
magnetische Modulatoren sowie Frequenzgleichstromwandler auf dieser Grundlage. Bei
ihnen empfand man jedoch die Zeitverzögerung im Übergangsverhalten, also gerade
die Eigenart, die bei der Erfindung ausgewertet wird, als für viele Aufgaben störend.
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Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Spannungs-Zeitumformung
für Analog-Digital-Umsetzer, bei dem aus einem analogen Spannungswert eine Zeitdauer
hergeleitet wird, während deren ein Impulsgenerator über eine Torschaltung den Spannungswert
in einen Zähler einzählt.
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Die Erfindung besteht darin, daß zunächst durch Auszählen einer bestimmten
Zahl der von dem Impulsgenerator erzeugten Impulse eine Zeitdauer gebildet wird,
während deren ein an sich bekannter induktiver Speicher mit dem Spannungszeitintegral
des analogen Spannungswertes beaufschlagt wird, und daß daran anschließend der induktive
Speicher mit einer Konstantspannung beaufschlagt wird, wobei der induktive Speicher
unter Aufnahme des entgegengesetzt gleichen Spannungszeitintegrals einen Impuls
abgibt, dessen Dauer der Zeitbasis entspricht, während deren eine dem analogen Spannungswert
entsprechende Zahl von Impulsen aus dem Impulsgenerator in den Zähler eingezählt
wird.
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Damit werden insbesondere die Vorteile erzielt, daß die Vergleichsspannung
als Konstantspannung einfach erzeugt werden kann, daß die gebildete Zeitdauer einem
Mittelwert der analogen Spannung entspricht und damit nicht von zufälligen, kurzen
Schwankungen dieser Spannung störend beeinflußt wird, und daß schließlich verhältnismäßig
langsame Schwankungen der Impulsfrequenz nicht in das Ergebnis eingehen.
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Die Erfindung wird, nachdem an Hand der F i g. 1 das Grundverhalten
eines Sättigungstransformators mit einer rechteckförmigen Hystereseschleife bei
einer ablaufenden kurzzeitigen Änderung der Magnetisierung beschrieben worden ist,
unter Zuhilfenahme der F i g. 2 bis 5, die teilweise Ausführungsbeispiele zur Ausübung
des Verfahrens wiedergeben, näher erläutert.
In dem in der F i g.
1 dargestellten Schaubild ist die idealisierte Charakteristik eines magnetischen
Kreises wiedergegeben. Der Eisenweg eines induktiven Speichers, wie er gemäß der
Erfindung verwendet werden kann, ist vorzugsweise zur Erzielung einer solchen rechteckförmigen
Hystereseschleife aus hochpermeablem Material aufgebaut. Erfolgt ein Magnetisierungsumlauf
von einem im Sättigungsgebiet des Kernes liegenden PunktA über einen Punkt B zurück
zu PunktA, so ergeben sich bei der Hin- und bei der Rückmagnetisierung übereinstimmende
Integrale der hierzu benötigten Spannung über der Zeit mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Der Betrag dieser Integrale ist eine Funktion der Differenz der Induktionen an den
Stellen B und A. Wie bereits erwähnt, ist das Verhalten von induktiven
Speichern insoweit bereits bekannt und in vielen Anwendungsfällen schon ausgenutzt
worden.
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Mit Hilfe einer Anordnung nach F i g. 2 wird nach der Erfindung das
zeitliche Übergangsverhalten bei einem Magnetisierungsumlauf mit zwei verschiedenen
treibenden Spannungen technisch ausgewertet, von denen die eine die Meßspannung
Um ist, die von einer Klemme 1 an einem Leiter 2 wirksam ist, und von denen
die andere eine Konstantspannung U, ist, die von dem Leiter 2 zu einer Klemme 3,
also entgegengesetzt gerichtet ist. Mittels eines Wechslers 4
kann die eine
oder die andere Spannung an die Primärwicklung eines Transformators 5 gelegt werden;
im praktischen Betrieb wird zunächst die Meßspannung Um für eine begrenzte
Zeitdauer, die durch den vorzugsweise als elektronisches Bauelement ausgebildeten
Wechsler 4 vorgegeben wird, auf die Primärwicklung des Transformators aufgeschaltet
und anschließend von der Konstantspannung als Speisespannung abgelöst. An der Sekundärwicklung
erscheint hierbei bei einem an Hand der F i g. 1 beispielsweise erläuterten Magnetisierungsumlauf
ein Doppelimpuls, dessen Länge sich - wie unten beschrieben wird - aus der unveränderlichen
Schaltdauer des Wechslers sowie aus einer der Meßspannung proportionalen Zeit zusammensetzt.
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In den F i g. 3 a bis 3 c sind für drei unterschiedliche Meßspannungswerte
die sekundärseitig induzierten Spannungsverläufe U2 in Abhängigkeit von der Zeit
aufgetragen. Die Meßspannung ist jeweils bis zu dem mittels des Schalters 4 vorgegebenen
Zeitpunkt To wirksam und verursacht in dieser Zeit ihr weitgehend verhältnisgleiche
Spannungszeitintegrale. Während der durch die Spannung U, hervorgerufenen Rückmagne-
; tisierung schließt sich ein entgegengerichtetes Spannungszeitintegral gleicher
Fläche, aber konstanter Höhe an, so daß die Dauer dieses ausgleichenden Integrals
ein Maß für die Meßspannung ist. Für diese Zeitdauer, die in den Figuren mit tm
bezeichnet ist, ; gilt folgender mathematischer Ausdruck:
Die erhaltene Zeit t. stellt bei einer Anordnung nach der Erfindung keinen Momentanwert
wie bei den bekannten Anordnungen, sondern einen Mittelwert der Meßspannung über
die Zeit To dar.
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Wird im Ausgangskreis des Ausführungsbeispiels nach F i g. 2 eine
Einweggleichrichtung in richtiger Polung vorgesehen, so ist die Zeit t. als Dauer
des nach den F i g. 3 a bis 3 c negativen Impulses abnehmbar. Andererseits können
durch Zweiweggleichrichtung die Doppelimpulse in treppenförmige Gleichstromimpulse
umgeformt und deren Länge kann dann weiterverarbeitet werden, sofern nur linearer,
nicht aber proportionaler Zusammenhang zwischen Eingang und Ausgang des Netzwerkes
verlangt ist.
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Die bisher angestellten Betrachtungen gelten exakt nur unter der Voraussetzung,
daß die Spannungsquellen sowie der verwendete Transformator keinen Innenwiderstand
aufweisen. Diese Voraussetzung läßt sich jedoch praktisch nicht verwirklichen. Infolge
der Nichtlinearität des Magnetisierungsstromes besteht deshalb zwischen der Spannung
Um und der induzierten Spannung gleichfalls ein nichtlinearer Zusammenhang,
der eine Krümmung der Umformerkennlinie bedingt.
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Mit Hilfe der Schaltung nach F i g. 4 kann den Nichtlinearitäten in
einfacher Weise gesteuert werden. An den Klemmen 10 und 11 liegt eine Spannung Ue,
die je nach Schaltstellung eines nicht gezeichneten Wechslers der Meßspannung U,,
oder der Konstantspannung U, entspricht. Die Spannung U" wird über eine Hilfswicklung
eines Umwandlungstransformators 12 dem Eingang eines Verstärkers 13 zugeführt, der
einen Innenwiderstand Ri aufweist und auf die Primärwicklung des Umwandlungstransformators
12 arbeitet. An dessen Sekundärwicklung erscheint die Spannung U2.
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Die Eingangsspannung Ust des Verstärkers ist hierbei gegeben durch
die Spannung Ue, vermindert um die in der Hilfswicklung des Umwandlungstransformators
induzierte Spannung ü - Ui, wobei ü das Übersetzungsverhältnis des
Tiansformators ist. Der Einfachheit halber wird ü = 1 gewählt. Außerdem ist die
Ausgangsspannung U" des Verstärkers, deren Verhältnis zur Eingangsspannung Ust durch
den Verstärkungsfaktor festliegt, durch die Summe der in der Primärwicklung induzierten
Spannung Ui und des Spannungsabfalls am Widerstand Ri durch den Strom Ia
bestimmt.
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Als Ausgangsgleichungen erhält man somit: UA=b-Ust=b#(Ue-Ui) UA
= Ui -f- Ia Ri.
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Unter Vernachlässigung des Eingangswiderstands des Verstärkers folgt
durch Einsetzen: Ui (1 -f- b) = b Ue - Ia Ri ,
b -> oo; Ui = u'. Es ist ersichtlich, daß mit wachsender Verstärkung die
Abweichung der induzierten Spannung Ui, die bei gleichen Windungszahlen der Wicklungen
des Transformators mit der Sekundärspannung U übereinstimmt, gegenüber der Spannung
U, immer kleiner wird. Der Linearitätsfehler des Umformers nimmt in gleichem Maße
ab. Die Verstärkung läßt sich jedoch nur bis zu einem Optimum vergrößern, weil bei
dessen Überschreitung die Gefahr einer Mitkopplung immer größer wird. Der optimale
Verstärkungsfaktor liegt etwa bei 50 bis 100; die hierfür verbleibenden Linearitätsfehler
sind mit 0,2°/o auch schon verschwindend klein und fallen kaum ins Gewicht.
In
F i g. 5 wird die Anwendung des Verfahrens für einen Analog-Digital-Verschlüßler
an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Ein Blockschaltbild genügt hier
zum Verständnis der Anordnung. Ein elektronischer Schalter 15, der beispielsweise
dem Schalter 4 in F i g. 2 nach seiner Wirkung entsprechen kann, schaltet
im bereits erläuterten Rhythmus die Meßspannung Ute. und die Konstantspannung U,
auf ein Glied 16, das beispielsweise den Transformator 5 nach F i g. 2 oder den
an Hand der F i g. 4 behandelten Vierpol aufweisen kann. Außerdem sind in der Schaltung
ein stabilisierter Impulsfrequenzgenerator 17, zwei Torschaltungen 18 und 19, ein
elektronischer Zähler 20 sowie ein Speicher 21 vorgesehen. Die am
Generator 17 erzeugten Impulse können entweder über die Torschaltung 18 oder die
Torschaltung 19 auf den Zähler 20 gelangen, je nachdem, ob die erstere durch den
Umformer 16 oder die letztere durch den Speicher 21 angesteuert wird. Die
einzelnen Bauteile wirken in Richtung der Pfeile aufeinander ein.
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Der Zähler 20 erfüllt einmal zusammen mit dem Generator 17
die Funktion eines Zeitgebers für den Schalter 15. Zu diesem Zweck besitzt
er einen Ausgang, der eine gegenüber der Eingangsfrequenz in einem Verhältnis 1:N
untersetzte Impulsfolge führt. Ein der Anordnung bei A zugeführter Anregungsimpuls
stellt den Zähler 20 in Anfangstellung und beeinflußt ebenfalls den Speicher
21, der seinerseits den Schalter 15
elektronisch so betätigt, daß dem
Umformer 16 die Meßspannung Um zugeführt wird. Außer dem Schalter
15 wird auch die Torschaltung 19 vom Speicher 21 beeinflußt, und die vom Generator
17 erzeugte Impulsfrequenz gelangt über diese Torschaltung auf den Zähler
20. der nach der Zeit
einen Impuls an den Speicher 21 liefert. In der Formel bedeutet f, die vorn Generator
17 erzeugte konstante Impulsfrequenz. Der Speicher 21 wird in die Ausgangsstellung
zurückgebracht, was zur Folge hat, daß der Schalter 15 dem Umformer
16 die Konstantspannung U, aufschaltet und daß die Torschaltung
19 geschlossen wird.
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Die Spannungsumkehr am Umformer 16 veranlaßt die Öffnung der
Torschaltung 18, so daß während der Zeit t., d. h. während der Öffnungszeit der
Torschaltung n=tm-fo@ Impulse passieren. Die Anzahl dieser Impulse wird im Zähler
20 gespeichert und stellt den digitalen Endwert dar. Setzt man voraus, daß die Meßspannung
Um für die Zeit To konstant ist, so gilt Um .To - Ua.tm
Es folgt für den im Zähler 20 aufgenommenen Digitalwert
Bei konstanter Meßspannung ist also vorteilhaft das Endergebnis unabhängig von der
Frequenz fo. In das Ergebnis geht nur das Verhältnis Um : U,# ein, und es
ist lediglich beachtlich, daß die Spannung U, beispielsweise unter Verwendung von
Zenerdioden oder andersartig arbeitender Spannungskonstanthalter stabilisiert ist.
Andererseits können mit einer Schaltungsanordnung der aufgezeigten Ausführung auch
zwei Spannungen nach Art eines Quotientenmeßwerks verglichen werden.
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Nach dem Dualitätsprinzip kann der erfindungswesentliche induktive
Speicher auch durch kapazitive Speicher ersetzt werden, wenn statt Gleichspannungen
eingeprägte Gleichströme verwendet werden.