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Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung von Analogwerten in Digitalwerte
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme zur Umwandlung von Analogwerten
in Digitalwerte, und zwar insbesondere auf eine neue Schaltung zur Bildung einer
Anzahl von Ausgangsimpulsen, die eine Funktion der Größe einer Eingangsspannung
darstellen.
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In manchen Fällen sind Informationen in Form von Digitalwerten gegenüber
einer Darstellung der Information durch einen Analogwert vorzuziehen. Beispielsweise
kann der Ausgangswert eines Temperaturwandlers ein verhältnismäßig langsam schwankendes
Gleichstromsignal bzw. Spannungsniveau sein. Wenn sich der Wandler in einem Flugkörper
befindet und es erwünscht ist, die Temperaturänderungen als Fernmeßwerte zum Boden
zu übertragen, so wird vorzugsweise zunächst das langsam schwankende Gleichstromausgangssignal
in die Form von Digitalwerten umgewandelt, bevor es über das Fernmeßsystem übertragen
wird. Dies geschieht deshalb, weil die Messung des Absolutwerts einer übertragenen
Amplitude und darauffolgender relativer Änderungen der Amplitudenwerte nicht mit
einem hohen Genauigkeitsgrad zu erreichen sind, was auf atmosphärische Störungen
sowie auf das Rauschen während der übertragung zurückzuführen ist. Wenn andererseits
ein Analogwert in die Form von Digitalwerten, beispielsweise eine Reihe von Impulsen,
umgewandelt wird, so bleibt die jeweilige Amplitude oder die Impulsform ohne Konsequenzen,
da lediglich die empfangene Impulszahl für die dem Signal entsprechende Information
charakteristisch ist. Eine Einrichtung zur Feststellung und Zählung von Impulsen,
deren Zahl unabhängig von atmosphärischen Störungen und vom Rauschen ist, besitzt
eine weit höhere Genauigkeit als eine Einrichtung zur Feststellung von Spannungsniveauwerten
und deren Änderungen.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Umwandlung eines Analogwerts in Form
einer Spannung in einen Digitalwert von der Form einer Reihe von Impulsen bekannt,
deren Anzahl der Größe der Analogwertspannung entspricht. Die Analogwertspannung
wird dabei zusammen mit einer ihrer Größe nach verstellbaren Bezugsspannung einer
Vergleichsschaltung zugeleitet. Ferner sind das Fließen von Impulsen bestimmende
Steuerspannungen als Ausgangssignale aus der Vergleichsspannung vorhanden, die bei
Aufhebung der Analogwertspannung durch die Bezugsspannung das Fließen der Impulse
unterdrücken. Schließlich wird die ein Maß für die Größe der Analogwertspannung
darstellende Zahl der bis zur Aufhebung der Analogwertspannung fließenden Impulse
festgestellt. Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch die Bezugsspannung nicht
in ihrer Richtung verstellbar. Es ist zwar auch ein Verfahren zur Deltamodulation
bekannt, bei dem ein reversibler Zähler vorgesehen ist, von dem über einen Digital-Analog-Umsetzer
eine Bezugsspannung abgeleitet wird, die mit dem Eingangssignal verglichen wird
und die nach ihrer Richtung im Sinne einer Aufhebung der Analogspannung durch den
reversiblen Zähler verstellt wird. Je nach Abhängigkeit von der Stellung eines bistabilen
Multivibrators wird bei dieser bekannten Anordnung ein Steuersignal für Addition
bzw. für Subtraktion an den reversiblen Zähler gelegt. Wollte man jedoch den in
der zweiten bekannten Anordnung enthaltenen Gedanken einer Richtungsumkehrbarkeit
der Bezugsspannung auf die zuerst genannte bekannte Anordnung übertragen, so ergäbe
sich eine sehr umständliche Gesamteinrichtung.
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Von diesen Erwägungen ausgehend, besteht der Zweck der Erfindung hauptsächlich
darin, eine besonders einfache und genau arbeitende Einrichtung zur Umwandlung von
Analogwerten in Digitalwerte zu schaffen, um eine Anzahl von Ausgangsimpulsen zu
bilden, die eine Funktion der Größe einer Eingangsspannung darstellt, wie sie aus
einem Temperatur- oder sonstigen Meßwertgeber erhalten werden kann.
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Insbesondere soll durch die Erfindung eine Einrichtung zur Umwandlung
von Analog- in Digitalwerte geschaffen werden, die eine fortlaufende Anzeige in
Digitalwertform sowohl für die Polarität als auch für die Größe einer veränderlichen
Eingangsspannung ermöglicht.
Die neue Einrichtung soll ferner eine
möglichst kleine Zahl relativ billiger Bauelemente aufweisen, ohne daß damit eine
Einbuße an Genauigkeit verbunden ist.
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Die neue Einrichtung soll schließlich nach Möglichkeit keine komplizierten
Logikschaltungen benötigen, weil vermieden werden soll, daß eine große Zahl von
Vakuumröhren oder Halbleiterbauelementen, wie Schalttransistoren und Dioden, benötigt
wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung eines
Analogwerts in Form einer Spannung in einen Digitalwert von der Form einer Reihe
von Impulsen, deren Anzahl der Größe der Analogwertspannung entspricht, welche zusammen
mit einer in ihrer Größe verstellbaren Bezugsspannung einer Vergleichsschaltung
zugeleitet wird, als deren Ausgangssignale das Fließen von Impulsen bestimmende
Steuerspannungen vorhanden sind, die bei Aufhebung der Analogwertspannung durch
die Bezugsspannung das Fließen der Impulse unterdrücken und wobei die ein Maß für
die Größe der Analogwertspannung darstellende Zahl der bis zur Aufhebung der Analogwertspannung
fließenden Impulse festgestellt wird. Erfindungsgemäß wird mittels eines reversierbaren
Schrittmotors mit Hilfe von Impulsen nach Maßgabe der bei Aufhebung der Analogwertspannung
durch die Bezugsspannung verschwindenden Steuerspannung eine Verstellung der Bezugsspannung
nach Größe und Richtung, jeweils im Sinne der Aufhebung der Analogwertspannung,
vorgenommen.
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Bei einer nach diesem Verfahren arbeitenden Anordnung betätigt eine
von der Vergleichsschaltung aufgenommene Analogwertspannung zunächst die Schaltvorrichtung,
so daß aus dieser Impulse an den Schrittmotor angelegt werden. Durch den Betrieb
des Schrittmotors wiederum wird die an die Vergleichsschaltung angelegte Bezugsspannung
derart verändert, daß die angelegte Analogspannung aufgehoben und so die Steuerspannung
aus der Vergleichsschaltung auf Null zurückgeführt wird. Nunmehr wird die Schaltvorrichtung
geöffnet, und die Impulse, die aus dem Impulsgenerator zum Schrittmotor gegeben
werden, werden gesperrt. Die Zahl von Impulsen, die benötigt wird, den Schrittmotor
derart zu betätigen, daß die Analogwertspannung aufgehoben wird, bildet dann eine
Funktion der Amplitude der Analogwertspannung. Durch den Anschluß eines Zählers
an die Eingangsquelle des Schrittmotors, der die Impulse aus dem Impulsgenerator
empfängt, wenn die Schaltvorrichtung geschlossen ist, kann eine sichtbare oder aufzeichenbare
Anzeige der Gesamtzahl der Impulse gewonnen werden.
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Im Falle eines Fernmeßbetriebes können die Impulse selbst direkt übertragen
und in einer Bodenstation totalisiert werden.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert: F i g. 1 ist ein Blockschema eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung
gemäß der Erfindung zum Umwandeln von Analogwerten in Digitalwerte; F i g. 2 ist
eine mit Bezeichnungen versehene Anzahl von Signalwellenformen, wie sie an den mit
entsprechenden Bezeichnungen versehenen Stellen des Blockschemas von F i g. 1 auftreten.
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In F i g. 1 ist 10 eine Spannungsquelle, deren Spannung Analogwerten
entspricht; sie kann durch eine beliebige Art von Meßwertgebem gebildet sein, der
ein veränderliches elektrisches Ausgangsspannungssignal liefert, das einem veränderlichen
physikalischen Zustand entspricht. Das Analogspannungssignal aus dem Meßwertgeber
10 läuft zu einer Vergleichsschaltung 11. Eine Bezugsspannungsquelle 12 ist so angeordnet,
daß sie eine Bezugsspannung zu der Vergleichsschaltung 11 liefert, die mit der aus
dem Meßwertgeber kommenden Analogspannung verglichen wird.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 kann die Bezugsspannungsquelle
eine Batterie 13 sein, die eine bei 14 an Erde (Masse) angeschlossene Mittenanzapfung
besitzt. Ein Potentiometerwiderstand 15 liegt so an der Batterie, daß sein Abgriff
16, wenn er in der Mitte des Widerstandes steht, die Spannung Null liefert, während
eine Bewegung des Abgriffes 16 nach unten eine zunehmend negative Spannung und eine
Bewegung nach oben eine zunehmend positive Spannung abzugreifen gestattet.
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Die Vergleichsschaltung kann aus einer einfachen Additionsschaltung
bestehen, welche die Summe von Bezugsspannung und Analogspannung in Form einer Steuerspannung
bildet, die über einen Verstärker 17 zu einer Schaltvorrichtung 18 geführt wird.
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Die Funktion der Schaltvorrichtung 18 ist schematisch durch einen
Schaltarm 19 veranschaulicht, der mit einem Impulsgenerator 20 verbunden ist, welcher
ständig eine Reihe von Impulsen von gegebener Frequenz liefert. Der Arm 19 ist in
seiner einen Endstellung mit einer positiven Eingangsklemme 21 und in seiner anderen
Endstellung mit einer negativen Eingangsklemme 22 verbunden; in seiner Mittelstellung
berührt er einen offenen Kontakt 23. Die jeweilige Stellung des Schaltarms 19 wird
durch die Polarität der aus dem Verstärker 17 zur Schaltvorrichtung 18 geleiteten
Steuerspannung bestimmt. Ist diese Steuerspannung gleich Null, so wird der Schaltarm
19 in seine gestrichelt gezeichnete Mittelstellung auf dem offenen Kontakt 23 geführt.
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Die Kontaktklemmen 21 und 23 der Schaltvorrichtung stehen mit den
Eingangsklemmen für Rechts-und Linksdrehung 24 bzw. 25 eines Schrittmotors 26 in
Verbindung. Die Ausgangswelle des Schrittmotors 26 geht durch einen Getriebezug
27 und steuert von da aus mechanisch den Abgriffsarm 16 der Bezugsspannungsquelle
12, um die an die Vergleichsschaltung 11 angelegte Bezugsspannung durch Bewegen
des Arms 16 in der einen oder anderen Richtung zu verändern. Bei der in F i g. 1
dargestellten Schaltung sind Verbindungen gerade solche, daß die an der Eingangsklemme
24 für Rechtsdrehung des Schrittmotors 2$ empfangenen Impulse den Abgriffsarm 16
am Potentiometer nach unten bewegen, so daß eine mehr negative Bezugsspannung erzeugt
wird. Ein Empfang von Impulsen durch die Eingangsklemme für Linksdrehung 25 des
Schrittmotors 26 würde eine Drehung der Schrittmotorwelle in Gegenrichtung zur Folge
haben, so daß der Abgriff 16 am Potentiometer nach oben bewegt und eine mehr positive
Bezugsspannung erzeugt wird.
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Ferner sind an Plus- und Minusklemmen 21 und 22 für den Schaltarm
19 die Additions- und Subtraktions-Eingangsklemmen 28 und 29 eines Zählers 30 angeschlossen.
Infolgedessen bildet der Zähler eine Gesamtzählsumme, die gleich ist der Zahl von
Impulsen, welche an der Klemme für Rechtsdrehung 24 des Schrittmotors 26 empfangen
würde, vermindert um die Zahl der an der Klemme 25 für Linksdrehung
des
Schrittmotors 26 empfangenen Zahl von Impulsen.
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Die Arbeitsweise der in F i g. 1. gezeigten Schaltung ist an Hand
der verschiedenen Kurven A, B, C,
D, E und F von F i g. 2 leicht zu verstehen.
Die verschiedenen dargestellten Signalwellenzüge entsprechen denjenigen, die an
den analog bezeichneten Stellen in dem Blockschema von F i g. 1 auftreten. Es sei
angenommen, daß eine Analogspannungsniveauänderung von 1 Volt einen Impuls ergibt;
dann ist die tatsächliche Anzahl gezählter Impulse gleichwertig der Spannung des
Analob Spannungsmeßwerts.
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In dem obersten Signalwellenzug 1 ist zunächst eine schwankende Eingangsanalogspannung
am Vergleicherkreis 11 .gezeigt, die in den Zeitabschnitten t1, t2, t. und
t4, wie angenommen werden mag, jeweils ein Amplitudenniveau von +2V, +4V
minus 2 V bzw. -I-2 V hat. Angenommen, der Bezugsspannungsabgriffsarm 16 befände
sich zu Beginn der Zeitspanne t1 in der Mitte des Widerstandes 15, so daß die Bezugsspannung
gleich Null ist, so ergibt der Vergleicherkreis einen Spannungsregelwert an seinem
Ausgang, welcher der Summe von Analogspannung und Bezugsspannung entspricht.
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Zu Beginn des Zeitintervalls t1 beträgt diese Regelspannung +2V; dieses
Signal wird in dem Verstärker 17 verstärkt und in der Schaltvorrichtung 18 empfangen,
um den Schaltarm 19 an die Klemme 21 anzulegen.
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Liegt der Schaltarm 19 an der Klemme 21, so werden die Impulse aus
dem Impulsgenerator 20 zu dem Eingang für Rechtsdrehung 24 des Schrittmotors 26
durchgelassen; dadurch dreht sich die Welle des Schrittmotors und veranlaßt über
das Getriebe 27 den Potentiometerarm 16 zur Einleitung seiner Bewegungen nach unten,
wie durch den kleinen Pfeil angegeben. Die Bezugsspannung ändert sich somit von
Null bis auf einen negativen Wert, wie bei 31 in der Signalwelle B von F i g. 2
dargestellt. Wenn die Bezugsspannung einen Wert von -2 V erreicht, so gleicht sie
genau den Analogspannungswert von +2V aus; dadurch wird die Steuerspannung am Ausgang
der Vergleichsspannung 11 auf Null vermindert, wie bei 32 in der Signalwelle C für
die Steuerspannung angegeben. Bei der Steuerspannung Null gibt die Schaltvorrichtung
18 den Schaltarm 19 nach ihrer Mittelstellung hin auf der offenen Kontaktklemme
23, wie gestrichelt angedeutet, frei; dadurch werden alle weiteren Impulse aus dem
Impulsgenerator 20 gegen den Schrittmotor hin abgesperrt. Bei stillgesetztem Schrittmotor
bleibt der Abgriff 16 an einer Stelle auf dem Widerstand, bei der eine fortlaufende
Bezugsspannung von -2V gebildet wird, wie durch den Niveauteil 33 der Signalwelle
B angegeben.
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Wird nun angenommen, daß nach dem Zeitintervall t. der Analogspannungswert
um 2 V zunimmt, so daß ein Gesamtwert von 4 V gebildet wird, so hat die Steuerspannung
C einen Wert von -I-2 V nach der Summierung mit der -2 V betragenden Bezugsspannung.
Dieser Steuerspannungswert wiederum bewegt den Schaltarm 19 zur Klemme
21, so daß der Schrittmotor erneut eingeschaltet wird, um die Bezugsspannung
nach -4 V hin zu verändern, wie bei 34 in F i g. 2 angegeben. Wenn die Bezugsspannung
gleich -4 V beträgt, so hebt sie die Analogspannung von -h 4 Volt auf, die Steuerspannung
wird also wiederum auf Null reduziert, wie es durch das Niveaustück 35 in der Signalwelle
C angegeben wird. Hat die Steuerspannung wiederum den Wert Null, so kehrt der Arm
19 in seine offene Stellung auf derKlemme 23 zurück, um weitere Impulse vom Durchgang
zum Schrittmotor abzusperren, der daraufhin stehenbleibt und den Abgriff 16 auf
dem Niveau von -4 V festhält. Dieser letztere Zustand wird durch das -4 V betragende
Niveaustück 37 in dem Wellenzug B von F i g. 2 veranschaulicht.
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Ändert sich nun die Analogwert-Eingangsspannung von -f-4 V auf -2
V, so hat das resultierende Steuersignal aus der Vergleichsschaltung negative Polarität
und eine Amplitude, wie sie bei 38 in dem Signalwellenzug C von F i g. 2 angegeben
ist; dadurch wird der Schaltarm 19 auf die negative Klemme 23 geschaltet und läßt
wieder Impulse aus dem Impulsgenerator zu der Schrittmotorklemme für Linksdrehung
durch. Durch die Linksdrehung des Schrittmotors wird der Potentiometerabgriff 16
nach oben geführt. Hat der Bezugsspannungswert den Betrag von -I-2 V erreicht, so
daß der Wert von -2 V der Analogwertspannung aufgehoben wird, so wird die Steuerspannung
gleich Null, und der Schalter 9 geht in die Offenstellung, wodurch weitere Impulse
von dem Schrittmotor abgesperrt werden. Der Abgriff 16 kommt hierdurch an einer
Stelle zum Stillstand, an der die Bezugsspannung -I-2 V beträgt, wie bei 39 in dem
Wellenzug B angegeben.
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Schließlich ändert sich die Analogwertspannung während des Zeitintervalls
t4 von -2 V nach -I-2 V, so daß sich anfänglich eine 4 V betragende Steuerspannung
ergibt, wie sie bei 40 in dem Wellenzug C angegeben ist. Der Schaltarm 19 schließt
dann den Kontakt an der Plusklemme 21 und verursacht eine Rechtsdrehung des Schrittmotors,
wodurch der Abgriff 16 nach unten geführt wird, bis die Bezugsspannung -2 V beträgt
und den -1 -2 V betragenden Wert aufhebt mit dem Ergebnis, daß die Steuerspannung
den Wert Null hat. Der Arm 19 wird dann wieder auf die offene Mittelklemme 23 geführt,
so daß weitere Impulse gegen den Schrittmotor hin abgesperrt sind.
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Die Wellenform D in F i g. 2 zeigt die kontinuierliche Impulsfolge,
die durch den Impulsgenerator 20
erzeugt wird, und die Wellenform E zeigt
die Plusimpulse, die an die Klemme 24 des Schrittmotors für Rechtsdrehung während
der Zeitintervalle t1, t2 und t4 gelegt werden. Die Wellenform F schließlich zeigt
die Impulse, die während des Zeitintervalls t" an die Klemme 25 für Linksdrehung
des Schrittmotors gelegt werden.
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Wie in F i g. 1 gezeigt, werden die zur Klemme 24 für Rechtsdrehung
gelangenden Impulse auch zu der Additions-Eingangsklemme 28 des Zählers 30 geführt.
Entsprechend werden die an die Klemme 25 für Linksdrehung gelangenden Impulse auch
zu der Subtraktions-Eingangsklemme 29 des Zählers 30 geführt. Daher
zählt der Zähler 30 in der Zeitspanne t1 -f- 2 -I- 2 Impulse und zeigt so an, daß
die Amplitude der Analogspannung während des Zeitintervalls t1 2 V beträgt. In der
Zeitspanne t, werden zwei zusätzliche Plusimpulse zum Zähler hinzuaddiert, so daß
sich eine Gesamtsumme von plus vier Impulsen ergibt, die durch den Zähler angezeigt
wird, was bedeutet, daß die Amplitude der Analogwerteingangsspannung 4 V beträgt.
Während der Zeitspanne t3 werden besonders negative Impulse zu dem Zähler durchgelassen,
welche von den plus vier Impulsen abgezogen werden, wodurch sich am Zähler ein
Netto-Zählergebnis
von minus zwei Impulsen ergibt, das dem -2 V betragenden Wert der Analogwertspannung
im Zeitintervall t3 entspricht. Schließlich werden, wenn die Analogspannung auf
-f-2 V ansteigt, vier positive Impulse zu dem Zähler 30 hinzugegeben, um ein Nettozählergebnis
im Betrag von plus zwei Impulsen zu bilden.
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Hiernach wird klar, daß die Ablesung von Impulsen am Zählwerk 30 zu
jeder Zeit das Spannungsniveau der jeweiligen Analogwertspannung ergibt. Die Frequenzabhängigkeit
des Systems wird bestimmt durch die Neigung oder Flanke des Bezugsspannungswellenzuges,
wie beispielsweise an den Stellen 31 und 34 angegeben, d. h., sie wird bestimmt
durch die Geschwindigkeit, mit welcher die Bezugsspannung durch den Schrittmotor
nach Null hin verändert werden kann, um die Analogwertspannung aufzuheben. Diese
Arbeitsgeschwindigkeit kann für die meisten Arten in Betracht kommender Analogwertspannungen,
die sich gewöhnlich nicht äußerst rasch ändern, sehr rasch gemacht werden. So ist
es für eine exakte Arbeitsweise nur erforderlich, daß die Neigung der Analogwertspannung
zu keiner Zeit größer ist als die durch Änderungen der Bezugsspannung bestimmte
Neigung.
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Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung beschränken
sich nicht auf die hier beschriebenen und dargestellten Einzelheiten. Es ist lediglich
ein Ausführungsbeispiel gezeigt worden. Es können aber zahlreiche Abwandlungen und
Ersetzungen von Bauelementen vorgenommen werden, ohne daß damit der Erfindungsgedanke
verlassen wird, z. B. können Schalttransistoren an Stelle des der Einfachheit halber
schematisch dargestellten Schaltarms 19 sowie der Schalterklemmen 21, 22 und 23
vorgesehen werden.