DE1269167B - Vorrichtung und Verfahren zur Umwandlung eines analogen Signals in eine numerische Information unter Benutzung einer Speichereinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/00

Nummer: 1269 167

Aktenzeichen: P 12 69 167.7-31

Anmeldetag: 29. November 1965

Auslegetag: 30. Mai 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung eines analögen Signals in eine numerische Information. Das umzuwandelnde Signal ist die Amplitude der von einem wechselstromgespeisten Meßwertwandler abgegebenen Spannung; als solche Meßwertwandler werden z. B. Differential-Transformatoren, Meßpotentiometer oder auch Brückenschaltungen mit veränderlichen Widerstandselementen, wie Beanspruchungssonden, Widerstandsphotozellen oder thermometrische Widerstandssonden verstanden.

Hauptsächlich zwei Methoden sind bisher für diese Umwandlung benutzt worden. Die erste, Verfahren der aufeinanderfolgenden Versuche genannte, besteht darin, die numerisch darzustellende analoge Wechselspannung mit einer Folge von Wechselspannungen (oder -strömen) zu vergleichen, deren Amplituden gemäß den aufeinanderfolgenden Potenzen von zwei abnehmen. Dieses Verfahren besitzt mehrere Nachteile. Zunächst ist eine beträchtliche Zeit für jeden der aufeinanderfolgenden Vergleichsvorgänge erforderlich. Ferner wird die Genauigkeit der Rechnung durch die Genauigkeit begrenzt, mit welcher die Widerstände und die Transformatoren ausgeführt werden können, welche die verschiedenen zu benutzenden Bezugspannungen bestimmen. Ferner kann ein Umwandlungsfehler durch die mögliche Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen Spannungen entstehen, welche zueinander addiert werden müssen. Besondere Vorsichtsmaßnahmen gestatten, diesen letzteren Fehler dieser Methode zu verringern oder sogar in Fortfall zu bringen, sie vergrößern jedoch beträchtlich den Aufwand zur Ausübung dieses Verfahrens. Es ist jedoch zu bemerken, daß diese Methode den Vorteil besitzt, eine Um-Wandlung zu ermöglichen, welche von den Änderungen der Amplitude der Speisespannung der Wandler unabhängig ist, wenn die einzelnen Teilwechselspannungen ebenfalls von dieser Speisespannung abgeleitet sind.

Eine andere häufig benutzte Methode besteht darin, die numerische darzustellende Wechselspannung vorher in eine gefilterte Gleichspannung umzuformen und hierauf mit Hilfe von verschiedenen bekannten Verfahren diese Gleichspannung in eine numerische Information umzuwandeln.

Ein Nachteil dieser letzteren Methode besteht darin, die Verwendung eines Tiefpasses zu erfordern, was besonders störend ist, denn hierdurch wird eine Verzögerung in der Übertragung erzeugt, welche schnelle Umwandlungen unmöglich macht. Diese sind aber unbedingt dann erforderlich, wenn mehrere Vorrichtung und Verfahren zur Umwandlung
eines analogen Signals in eine numerische
Information unter Benutzung einer
Speichereinrichtung

Anmelder:

Rochar Electronique, Montrouge, Seine
(Frankreich)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

4000 Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:

Roger Charbonnier, Meudon;

St. Jean Eric Estrabaud, Antony (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 8. Januar 1965 (1344)

Spannungen nacheinander kodiert und auf einen gemeinsamen Kanal geschaltet werden sollen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß ein Umwandlungsfehler auftritt, wenn sich die Amplitude der Speisespannung ändert.

Es ist auch bekannt, bei dem dann durchzuführenden Umwandlungsvorgang der Gleichspannung in eine numerische Größe eine abfallende Sägezahnspannung zu erzeugen, die mit der Meßgleichspannung verglichen wird. Der Beginn der abfallenden Flanke der Sägezahnspannung wird durch Zeitgeberimpulse markiert, die zugleich eine Torschaltung öffnen, so daß die am Eingang der Torschaltung liegenden Impulse eines Zählgenerators einem Zähler zugeführt werden. Die Torschaltung wird dann geschlossen, wenn die Amplitude der umzuformenden Gleichspannung gleich der Amplitude der Sägezahnspannung ist, wenn diese also nach einer durch die Höhe der zu messenden Spannung gegebenen Zeit denselben Wert wie die zu messende Spannung erreicht hat. Mithin wird hier die zu messende Spannung in einen proportionalen zeitlichen Abstand zwischen zwei Impulsen umgeformt, von denen der erste die Torschaltung öffnet, der zweite die Torschaltung schließt. Demgemäß ist die Anzeige des Zählers proportional der zu messenden Spannungsamplitude. Es ist offensichtlich, daß hier sowohl Ab-

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weichungen der Impulsgeneratorfrequenz, mit der die benen Impulse noch in bezug auf deren Impulsab-Torschaltung angesteuert wird, als auch Abweichun- stand, sondern es ist nur erforderlich, daß während gen der Auslöseimpulse, mit denen der Sägezahn- des jeweiligen Umwandlungsprozesses Amplitude generator und die Startelektrode der Torschaltung und Impulsabstand innerhalb der vorgeschriebenen angesteuert werden, die Messung verfälschen können. 5 Grenzen konstant bleiben.

Dabei ist auch schon verschiedentlich vorgeschla- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die

gen worden, die Umformung der Amplitude der zu Umwandlungszeit besonders kurz und, wie bereits messenden Spannung in den zeitlichen Abstand zweier erläutert, ist die erhaltene numerische Information Impulse mittels einer Integrierschaltung vorzuneh- von der Amplitude und der Frequenz der Speisemen. Eine solche Integrierstufe enthält gewöhnlich io spannung der Meßwertwandler unabhängig, einen Speicherkondensator. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver-

Das Verfahren gemäß der Erfindung geht aus von fahrens ist eine Vorrichtung geeignet, die in der einem, dem zweiten bekannten Verfahren ähnlichen Zeichnung als Blockschaltbild dargestellt ist. Der Verfahren zur Umwandlung eines analogen Signals, Aufbau der Vorrichtung und das Zusammenwirken dargestellt durch die Amplitude einer von einem 15 der einzelnen Bauelemente wird nun im einzelnen wechselstromgespeisten Meßwertwandler abgege- erläutert.

benen Spannung, in eine numerische Information, Der Ausgang eines Oszillators 10, dessen Arbeits-

dargestellt durch eine der Wechselspannungsampli- frequenz bei 256 kHz liegt, liegt am Eingang einer tude proportionale Zählimpulszahl, wobei das analoge Teilerstufe 12, deren Untersetzungsverhältnis 64 :1 Signal zunächst unter Benutzung einer einen Spei- 20 beträgt. Die von der Teilerstufe abgegebene Frecherkondensator enthaltenden Integrierstufe in einen quenz von 4 kHz wird in dem Verstärker 14 selektiv proportionalen zeitlichen Abstand zwischen einem verstärkt, so daß an dessen Ausgang die Arbeits-Start- und einem Stopimpuls umgeformt wird, von spannung!^ erscheint, mit der der Meßwertwandler denen der erste einen Impulszähler für die Zähl- 16 beaufschlagt wird. Die Ausgangsspannung E₁, des impulse öffnet und der zweite den Zähler schließt. 25 Verstärkers 14 wird außerdem eine Wechselspan-Unter Aufrechterhaltung der Möglichkeit, schnelle nungs-Gleichspannungs-Wandlerschaltung 18 zuge-Umformungen durchzuführen, wird der Vorteil des führt. Am Ausgang des Meßwertwandlersi 16 ererstgenannten bekannten Verfahrens, nämlich die scheint also eine Spannung E₁, · x, wobei die Größe χ Unabhängigkeit von der Amplitude der Spannung, abhängig ist von dem Meßwert, den der Wandler mit der der Meßwertwandler betrieben wird, erfin- 30 übertragen soll. Mithin ist die Größe χ die analoge dungsgemäß dadurch erreicht, daß die von den Meß- Information, die in eine numerische Größe umgewertwandlern abgegebene Wechselspannung gleich- formt werden soll. Am Ausgang des Wechselspangerichtet und während einer Zeit an den Integrier- nungs-Gleichspannungs-Wandlers 18 dagegen erstuf enkondensator angelegt wird, die gleich einer vor- scheint eine konstante Spannung^ · E₁,, wobei die gegebenen ganzen Zahl von Halbperioden der Wech- 35 Größen eine Konstante ist, die von den Bauteilen selspannung ist, und daß in einem zweiten Schritt des Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlers 18 der Kondensator durch einen der Amplitude der den abhängt.

Meßwertwandlern zugeführten Wechselspannung Die Ausgangsspannung E_p des Selektiwerstärkers

proportionalen Gleichstrom entladen wird. 14 liegt außerdem am Eingang einer weiteren Teiler-

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der 40 stufe 24 mit einem Untersetzungsverhältnis von 8 : 1, Erfindung neben der Ausschaltung des dem bekann- die so aufgebaut ist, daß an ihrem Ausgang ein ten Verfahren anhaftenden Nachteils besteht darin, Rechtecksignal erscheint, dessen Frequenz 500 Hz daß durch eine zweckmäßige Weiterbildung der Er- beträgt. Die Dauer einer Halbperiode beträgt mithin findung auch noch diejenigen Umformungsfehler aus- 1 Millisekunde.

geschaltet werden können, die auf Frequenzänderun- 45 Das von dem Meßwertwandler abgegebene Signal gen der Speisespannung für den Meßwertwandler zu- χ · E₁, wird über einen Vorverstärker 20 einer Doprückzuführen sind. Dieser Fehler wird gemäß der pelweggleichrichterschaltung 22 zugeführt, an deren Erfindung dadurch beseitigt, daß die Frequenz der Ausgang ein Signal erscheint, das aus nebeneinan-Zählimpulse ein möglichst hohes Vielfaches der dem derliegenden Sinushalbwellen mit gleicher Polarität Meßwertwandler zugeführten Wechselstromfre- 50 besteht, deren Amplitude gleich χ · E_p · B ist. Der quenz ist. Parameter B ist der Übertragungskoeffizient des Vor-

Dabei ist es zweckmäßig, die von dem Meßwert- Verstärkers 20 und der Gleichrichterschaltung 22; er wandler abgegebene Wechselspannung zu verstärken, ist durch bekannte Methoden in einfacher Weise bevor sie gleichgerichtet wird, da bei dem Verfahren konstant zu halten.

gemäß der Erfindung dabei der Meßwert nicht ver- 55 Zwischen den Ausgang der Gleichrichterstufe 22 ändert wird, andererseits aber der gesamte Meß- und den Eingangswiderstand 28 eines Operationsversignalpegel angehoben wird, was den Aufwand bei stärkers 30 ist eine Ladeschalter genannte Schalteinden übrigen Baugruppen vermindert. heit 26 geschaltet; der Steuerungseingang des Lade-

Wie später noch an· Hand der Beschreibung eines schalters ist mit dem Ausgang der Teilerstufe 24 ver-Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur 60 bunden. Deshalb erscheint am Ausgang des Schalters Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens er- 26 als Signal ein Rechteckimpuls mit der Dauer einer läutert wird, wird zweckmäßigerweise ein einziger Millisekunde, der jeweils N Sinushalbwellen auf-Impulsgenerator vorgesehen, von dem alle in der weist. N ist in diesem Fall gleich 8, nämlich gleich Schaltung erforderlichen Frequenzen und die Mes- dem Untersetzungsverhältnis der Stufe 24. Die vorsung beeinflussenden Amplituden abgeleitet werden. 65 dere und die hintere Flanke dieses Rechteckimpulses Dabei ist nicht einmal erforderlich, daß der Impuls- fallen mit dem ersten Nulldurchgang der ersten generator eine besonders gute Langzeitstabilität be- Sinushalbwelle bzw. dem letzten Nulldurchgang der sitzt, weder in bezug auf die Amplitude der abgege- achten Sinushalbwelle zusammen, die von der Stufe

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22 abgegeben werden. Das am Ausgang des Lade- dem Oszillator 10 mit der Frequenz F eine Zahl C

schalter 26 erscheinende Signal bewirkt am Ausgang von Impulsen empfangen, die bestimmt ist durch

des als Integrierstufe geschalteten Operationsverstär- C = F-T oder auch C = K · f · T mit K als Tei-

kers 30, der eine Gegenkopplungskapazität 32 auf- lungskoeffizient der Stufe 12. Nach dem oben Geweist, das Auftreten eine Spannung, die während 5 sagten ist K in diesem Ausführungsbeispiel gleich 64

der gesamten Schließungszeit des Ladeschalters 26 gewählt. Wenn in dieser Gleichung Γ ersetzt wird,

zunimmt. Die von der Kapazität 32 während der und zwar durch seinen aus den obigen Gleichungen

Schließungsdauer des Ladeschalters 26 aufgenom- abgeleiteten Wert
mene Ladung besitzt den Wert

_N ¹⁰ T = X-B-N-^-R₁-A,

Q = X-Ep-B A₁, 2/

so ergibt sich

wobei R₁ der Wert des Widerstandes 28 und / die

Frequenz des von dem Verstärker 14 gelieferten 15 C = X-K-N-B- ·A

Signals ist; / beträgt gemäß dem vorher Gesagten in 2U₁
diesem Fall 4 kHz.

Die Ausgangsimpulse der Teilerstufe 24 liegen d. h., die von dem Zähler 46 angegebene Zahl C ist

außerdem am Eingang einer Differenzierschaltung streng von der Amplitude und der Frequenz der

34, die beim Auftreten der Abfallflanke der ihr zu- 20 Speisespannung des Meßwertwandlers 16 unab-

geführten Impulse einen negativen Impuls an die hängig.

Kippschaltung 36 abgibt und diese in die Arbeits- Sie hängt jedoch von den Konstanten ab, die ent-

stellung überführt. Sobald die Kippschaltung 36 in weder feste Werte haben, nämlich die Teilerverhält-

die Arbeitsstellung geschaltet ist, schließt der an nisse, oder die leicht durch bekannte Verfahren auf

ihrem Ausgang erscheinende Impuls eine Entlade- 25 einem konstanten Wert gehalten werden können,

schalter genannte Schalteinheit 38 und verbindet Es muß festgehalten werden, daß der Strom den Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 18

über den Entladewiderstand 40 mit dem Eingang des I = E₁,- —-

Operationsverstärkers 30. Außerdem öffnet der Aus- R₂
gangsimpuls der Kippschaltung 36 eine Torschaltung 30

44. Sobald also der Ausgangsimpuls der Teilerstufe so groß sein muß, daß die größte Zeit T_M der Ent-

24 endet und damit die Ladung des Gegenkopp- ladung des Kondensators 32, die dem Höchstwert x_M

lungskondensators 32 endet, beginnt durch die Um- der von dem Wandler gelieferten Information ent-

schaltung der Kippschaltung 36 die Entladung des spricht, kleiner ist als die Halbperiode (hier 1 Milli-

Kondensators 32 über den Widerstand 40 infolge der 35 Sekunde) des von der Teilerstufe 24 gelieferten Si-

der Ladespannung entgegengesetzten von dem gnals. Wenn¹ diese Bedingung erfüllt ist, beginnt in

Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 18 ab- dem Augenblick, in welchem der Ausgangsimpuls

gegebenen Spannung. Der Entladegleichstrom ist in der Teilerstufe 24 wieder auftritt, ein neuer Um-

seinem Wert durch den Entladewiderstand 40 (R₂) Wandlungszyklus, bei dem der Zähler 46 durch den

und durch die von dem Wechselspannungs-Gleich- 40 Ausgangsimpuls der Differenzierschaltung 34 genau

spannungs-Wandler 18 abgegebene Spannung A ■ E₁, in dem Augenblick gelöscht wird, in dem sich das

bestimmt. Der Strom hat demgemäß den Wert Tor 44 von neuem öffnet. Die Phasenverschiebung

. zwischen den Öffnungsaugenblicken des Tors 44 und

I = Ε_φ· -^--. den Nulldurchgängen des von dem Oszillator 10 ge-

R₂ 45 lieferten Signals wird durch den Augenblickswert der

Frequenz F und durch die Ausbildung des abge-

Die Spannung an den Klemmen des Kondensators 32 stimmten Verstärkers 14 beeinflußt. Die Frequenz F nimmt also linear ab, bis das Ausgangssignal des ändert sich in der Regel nur langsam, so daß für Operationsverstärkers 30 wieder Null wird. Am einen gegebenen Wert von χ sichergestellt ist, daß Ausgang des Operationsverstärkers 30 liegt der Ein- 50 die numerische Größe C von einer Messung zur angang eines Pegelvergleichers 42, der in dem Augen- deren stabil bleibt. Mit anderen Worten, nur eine blick einen Ausgangsimpuls abgibt, in dem an seinem Änderung der Ausgangsfrequenz des Oszillators 10 Eingang das Signal Null erscheint. Dieser Ausgangs- während des einzelnen Zyklus geht in das Meßerimpuls des Pegelvergleichers 42 liegt am anderen gebnis ein, nicht jedoch eine Änderung der Frequenz Steuereingang der Kippschaltung 36 und schaltet sie 55 von Zyklus zu Zyklus.

in ihre Ruhestellung zurück. Damit wird der Ent- Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben be-

ladeschalter 38 wieder geöffnet und die Schließung schriebene Ausführungsform beschränkt, sondern

des Tores 44 bewirkt. Die Entladezeit T des Kon- kann abgewandelt werden, insbesondere durch den

densators 32 ist bestimmt durch Ersatz der verschiedenen dargestellten Schaltungen

60 durch eine oder mehrere Schaltungen, die die gleiche

Q = Ep-A-~^~. Funktion erfüllen und dem Fachmann bekannt sind.

R₂ Bei dem beschriebenen Beispiel ist die Zahl der

während der Schließungsdauer des Ladeschalters 26

Am Eingang der Torschaltung 44 liegen die Aus- auf die Integrierstufe übertragenen Sinushalbwellen

gangsimpulse des Oszillators 10, und am Ausgang 65 gerade. Diese Zahl kann natürlich auch ungerade

der Torschaltung liegt der Zähler 46. Da das Tor 44 sein, und die Sinushalbwellen können mittels einer

während der ganzen Entladedauer T des Konden- Einweggleichrichtung oder Doppelweggleichrichtung

sators 32 geöffnet war, hat mithin der Zähler 46 von erhalten werden.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   1 .Verfahren zur Umwandlung eines analogen Signals, dargestellt durch die Amplitude einer von einem wechselstromgespeisten Meßwertwandler abgegebenen Spannung, in eine numerische Information, dargestellt durch eine der Wechselspannungsamplitude proportionale Zählimpulszahl, wobei das analoge Signal zunächst unter Benutzung einer einen Speicherkondensator enthaltenden Integrierstufe in einen proportionalen zeitlichen Abstand zwischen einem Start- und einem Stopimpuls umgeformt wird, von denen der erste einen Impulszähler für die Zählimpulse öffnet und der zweite den Zähler schließt, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Meßwertwandlern (16) abgegebene Wechselspannung gleichgerichtet und während einer Zeit an den Integrierstufenkondensator (32) angelegt wird, die gleich einer vorgegebenen ganzen Zahl von Halbperioden der Wechselspannung ist, und daß in einem zweiten Schritt der Kondensator (32) durch einen der Amplitude der den Meßwertwandlern (16) zugeführten Wechselspannung proportionalen Gleichstrom entladen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Zählimpulse ein möglichst hohes Vielfaches der den Meßwertwandler (16) zugeführten Wechselstromfrequenz ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Meßwertwandler (16) abgegebene Wechselspannung vor dem Gleichrichter verstärkt wird.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Wechselspannungsspeisung für den Meßwertwandler (16), die durch einen Oszillator (10) mit der Frequenz F gebildet wird, auf welchen¹ eine Teilerstufe (12) mit dem Koeffi zientenK und ein· auf die Frequenz — abgestimmter Ausgangsverstärker (14) folgen.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Meßwertwandler (16) ein Vorverstärker (20) und eine Doppelweggleichrichterschaltung (22) folgen, welch letztere S.

   mit dem Eingang einer Integrierstufe (30,32) durch einen Ladeschalter (26) verbunden ist, der durch ein von einer Teilerstufe (24) mit dem Koeffizienten N geliefertes Steuersignal geschlossen werden kann, während der Eingang der Teilerstufe (24) mit dem Ausgang der Wechselspannungsspeisung (10,12,14) verbunden ist.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Integrierstufe (30,32) durch einen Entladeschalter (38) mit dem Ausgang eines Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlers (18) verbunden ist, an dessen Eingang die Wechselspannungsspeisung (10, 12,14) liegt und der Gleichrichtungs- und Filterschaltungen enthält, während der Entladeschalter (38) durch das Ausgangssignal einer bistabilen Kippschaltung (36) geschlossen werden kann, die von einer Differenzierschaltung (34) ein mit den Abfallflanken der an die Steuerung des Ladeschalters (26) angelegten Signale synchrones· Signal zum Übergang in den Arbeitszustand, empfängt.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis. 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Integrierstufe (30,32) mit dem Eingang eines Pegelvergleichers (42) verbunden ist, der einen Ausgangsimpuls liefert, wenn das an seinen Eingang angelegte Signal durch Null geht, und daß der Ausgang des Pegelvergleichers (42) mit dem Eingang zur Rückführung der bistabilen Kippschaltung (36) zur Steuerung des Entladeschalters (38) in den Ruhezustand verbunden ist.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der bistabilen Kippschaltung (36) zur Steuerung des Entladeschalters (38) mit dem Steuereingang zur Öffnung eines Tores (44) verbunden ist, das zwischen den Oszillator (10) mit der Frequenz F und einen Impulszähler (46) geschaltet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrift Nr. 967 671;
   Electronics, 1956, Januarheft, S. 152 bis 155;
   Nachrichtentechnische Zeitschrift, 1960, Heft 8,
   bis 399.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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