DE1272349B - Analog-Digital-Umsetzer nach der Vergleichsmethode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/00

Nummer: 1272 349

Aktenzeichen: P 12 72 349.8-31 (F 41138)

Anmeldetag: 30. Oktober 1963

Auslegetag: 11. Juli 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Umsetzer mit einem die digitale Ausgangsgröße anzeigenden Binärzähler, einem den Vergleich zwischen der analogen Eingangsgröße und der digitalen Ausgangsgröße durchführenden Magnetkreis mit S einer Eingangswicklung, der ein der analogen Eingangsgröße proportionaler Strom zugeführt wird, und mit wenigstens einer Kompensationswicklung, der ein dem Stand des Binärzählers proportionaler Strom zugeführt wird, sowie mit Einrichtungen zur Änderung des Zählerstandes des Binärzählers in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis.

Bei einem bekannten Digital-Analog-Umsetzer dieser Art besteht der Magnetkreis aus einem Ringkern mit nahezu rechteckiger Hysteresisschleife. Der Ringkern trägt außer der Eingangswicklung und der Kompensationswicklung noch eine Ausgangswicklung und eine Abfragewicklung. Die Ausgangswicklung ist mit einer bistabilen Kippschaltung verbunden, die in ihrer Arbeitsstellung Torschaltungen öffnet, welche die ao Zuführung der Ausgangsimpulse eines Impulsgenerators einerseits zu dem Zähleingang des Binärzählers und andererseits über eine Verzögerungsanordnung zu der Abfragewicklung des Magnetkreises steuern.

Bei diesem bekannten Analog-Digital-Umsetzer erfolgt die Bildung einer der analogen Eingangsgröße entsprechenden digitalen Ausgangsgröße im Binärzähler jeweils in einem Abtastzyklus, der durch Zuführung eines Auslöseimpulses zu der bistabilen Kippschaltung eingeleitet wird. Die bistabile Kippschaltung geht dann in ihre Arbeitsstellung und öffnet dadurch die Torschaltungen, so daß dem zunächst in der Stellung Null befindlichen Binärzähler die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators zugeführt werden. Der Zählerstand des Binärzählers erhöht sich dann fortlaufend, und nach jeder Zuführung eines Zählimpulses erfolgt eine Abfragung des Magnetkreises mit Hilfe des der Abfragewicklung über die Verzögerungsanordnung zugeführten Impulses. Dieser Abfrageimpuls kann eine Ummagnetisierung des Magnetkreises erst dann bewirken, wenn die Durchflutungen in der Eingangswicklung und in der Kompensationswicklung gleich groß sind. Der dann in der Ausgangswicklung erzeugte Impuls stellt die Kippschaltung in ihre Ruhestellung zurück, wodurch die Torschaltungen gesperrt werden und die Zuführung weiterer Zählimpulse zu dem Binärzähler verhindert wird. Der Stand des Binärzählers gibt dann den digitalisierten Wert der analogen Eingangsgröße an. Vor dem nächsten Abtastzyklus muß der Binärzähler wieder auf Null zurückgestellt werden.

Es sind andrerseits Analog-Digital-Umsetzer beAnalog-Digital-Umsetzer nach der
Vergleichsmethode

Anmelder:

Forges et Ateliers de Constructions Electriques de Jeumont, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
8000 München 60, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:
Pierre Moury, Paris

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 23. November 1962
(916 384, Seine)

kannt, die eine kontinuierliche Umsetzung bewirken, so daß der Stand des Binärzählers in jedem Zeitpunkt dem Augenblickswert der Eingangsgröße bis auf die Quantisierungseinheit genau entspricht. In diesem Fall ist der Binärzähler als Vorwärts- und Rückwärtszähler ausgebildet, und es ist eine Vergleichsschaltung vorgesehen, welche jeweils dann einen Vorwärts- oder Rückwärtszählimpuls erzeugt, wenn sich die dem Eingang zugeführte Analoggröße gegenüber einer dem Zählerstand proportionalen Größe um einen vorgegebenen Betrag in der einen bzw. in der anderen Richtung geändert hat. Bei diesen bekannten Analog-Digital-Umsetzern ist die Vergleichsschaltung eine Röhrenschaltung mit zwei Röhren, denen einerseits die umzusetzende Analogspannung und andrerseits eine dem Zählerstand des Zählers proportionale Spannung zugeführt werden. Zur Bildung dieser zweiten Spannung ist dem Zähler eine Umsetzermatrix aus Widerständen und Dioden zugeordnet. Der Schaltungsaufwand ist daher beträchtlich.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Digital-Analog-Umsetzers, der eine fortlaufende Umsetzung mit ständiger Anzeige der digitalen Ausgangs-

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größe ergibt, jedoch einfacher und betriebssicherer als die mit Röhrenschaltung arbeitenden Umsetzer ausgebildet ist.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß dem Magnetfluß des Magnetkreises ein Hallgenerator ausgesetzt ist, der an den Ausgang eines einen Wechselstrom konstanter Amplitude liefernden Oszillators angeschlossen ist, daß der Binärzähler in an sich bekannter Weise als Vorwärts- und Rückwärtszähler ausgebildet ist, daß die Hallspannung einer Schaltung zugeführt wird, welche einen je nach der Phasenlage der Hallspannung positiven oder negativen Impuls erzeugt, wenn die Amplitude der Hallspannung einen vorgegebenen Wert überschreitet, und daß die positiven und negativen Impulse dem Vorwärts- und Rückwärtszähler als Vorwärts- bzw. Rückwärtszählimpulse zugeführt werden.

Bei der Erfindung wird von den an sich bekannten Eigenschaften der Hallgeneratoren Gebrauch gemacht. Bekanntlich beruht die Wirkungsweise von Hallgeneratoren auf folgendem Effekt (Halleffekt): Wird ein von einem Strom durchflossenes Plättchen geeigneten Materials senkrecht zur Stromrichtung und Plättchenebene von einem Magnetfeld durchsetzt, so entsteht senkrecht zu den Richtungen des Stroms und des Magnetfelds an den Plättchenkanten eine Spannung, die an geeigneten Elektroden abgenommen werden kann und dem Produkt aus Stromstärke und magnetischer Induktion proportional ist. Es ist auch bekannt, mit solchen Hallgeneratoren Produkte und Quotienten von Größen zu bilden, indem der Strom und das Magnetfeld diesen Größen proportional gemacht werden.

Beim Erfindungsgegenstand wird dagegen der Hallgenerator zum Vergleich von zwei analogen Größen benutzt, von denen die eine die umzusetzende Analoggröße ist und die andere dem Zählerstand des Vorwärts- und Rückwärtszählers proportional ist. Zu diesem Zweck wird der Hallgenerator einem Magnetfluß ausgesetzt, welcher der Resultierenden von mehreren den analogen Größen proportionalen Magnetflüssen entspricht, und dieser Magnetfluß wirkt auf einen Wechselstrom konstanter Amplitude in dem Hallgenerator ein. Dadurch wird eine Wechselspannung erhalten, die der Differenz der verglichenen analogen Größen proportional ist und je nach dem Vorzeichen dieser Differenz gleichphasig oder gegenphasig zu dem Wechselstrom ist. Aus dieser Wechselspannung können dann leicht positive und negative Impulse abgeleitet werden, die den Vorwärts- und Rückwärtszähler steuern. Der Zähler zeigt dann stets einen Zählerstand, welcher — bis auf eine Einheit des kleinsten Stellenwerts genau — dem Wert der umzusetzenden analogen Größe entspricht. Der ganze Vergleich mit Anzeige der Größe und des Vorzeichens der Differenz erfolgt dabei mit Hilfe eines einfachen Magnetkreises und eines Hallgenerators. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung auch die Umsetzung des digitalen Zählerstandes in eine dazu proportionale Größe mit Hilfe des gleichen Magnetkreises erfolgen kann. Wenn der Vorwärts- und Rückwärtszähler ein Binärzähler mit mehreren Stufen ist, geschieht dies dadurch, daß jede Zählerstufe eine eigene Kompensationswicklung derart speist, daß diese eine dem Stellenwert der zugeordneten Zählerstufe proportionale Durchflutung erzeugt, wenn sie in der dem Binärwert »1« entsprechenden Stellung ist.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung und

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung von Fig. 1.

F i g. 1 zeigt einen Hallgenerator 1, welcher in dem Luftspalt eines Magnetkreises 2 angeordnet ist. Dieser trägt eine Wicklung 3, der eine dem Analogwert proportionale Gleichspannung zugeführt wird, und Wicklungen 4 bis 8, welche unter weiter unten erläuterten Bedingungen gespeist werden.
Durch den Hallgenerator wird zwischen den Klemmen α und b ein Wechselstrom i mit konstanter Amplitude geschickt, welcher von einem Oszillator O erzeugt wird. Die von diesem Generator zwischen seinen Klemmen c und d gelieferte Spannung u ist bekanntlich dem Produkt aus dem ihn beeinflussenden

ao Magnetfeld und dem zwischen den Klemmen α und fließenden Strom i proportional. Je nach der Richtung dieses Magnetfelds ist sie mit dem Strom ζ in Phase oder Gegenphase.
Diese Spannung u wird nach Verstärkung durch einen Verstärker A und einen Schwellenwertschalter M angelegt, welcher jedesmal dann einen Impuls liefert, wenn die Spannung u einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, wobei diese Impulse je nach der Phase der Spannung u in bezug auf den Steuerstrom ι negativ oder positiv sind.

Diese Impulse werden einem Diskriminator D zugeführt, welcher die negativen Impulse von den positiven Impulsen unterscheidet und einen Vorwärts- und Rückwärtszähler C bei positiven Impulsen in der einen und bei negativen Impulsen in der anderen Richtung betätigt. Ferner ruft der Diskriminator D unter später noch zu erläuternden Bedingungen eine konstante positive oder negative Durchflutung in auf dem Magnetkreis 2 angeordneten Wicklungen 4 und 5 hervor.

Der Vorwärts- und Rückwärtszähler C ist ferner mit dem Schwellenwertschalter M und mit Kompensationswicklungen 6, 7 und 8 auf dem Magnetkreis 2 verbunden. Er schickt durch die Wicklungen 6, 7 und 8 Ströme, die zusammen eine seinem Zählerstand proportionale Durchflutung erzeugen, die so bemessen ist, daß sie jedesmal dann, wenn der Schwellenwertschalter M einen Impuls liefert, also der Zähler C einen neuen Zählerstand einnimmt, den von den Wicklungen 3, 4 und 5 erzeugten Fluß gerade aufhebt.

Der Diskriminator D erzeugt in den Wicklungen 4 oder 5 eine Durchflutung, welche gleich der Hälfte der die Abgabe eines Impulses auslösenden Durchflutungsänderung ist, wobei diese Durchflutung während jeder Vorwärtszählung gegensinnig und während jeder Rückwärtszählung gleichsinnig zu der Durchflutung der Wicklungen 6, 7 und 8 wirkt.
Die Arbeitsweise des beschriebenen Umsetzers wird nachstehend für den Fall der Vorwärts- und Rückwärtszählung in binärer Zahlendarstellung erläutert, wobei angenommen wird, daß die der Wicklung 3 zugeführte Analogspannung in sechs Zahlenstufen umgesetzt wird. Der Zähler C ist daher ein dreistufiger Binärzähler.

In dem Diagramm von F i g. 2 sind die erzeugten Durchflutungen getrennt dargestellt. Dabei ist angenommen, daß die vom Hallgenerator 1 abgegebene

Spannung U beim Auftreten einer Gesamtdurchflutung des Betrags \t\ die die Abgabe eines Impulses auslösende Amplitude erreicht, wobei sie bei der Gesamtdurchflutung +1 gleichphasig mit dem Strom i ist (Abgabe eines positiven Impulses), während sie bei 5 der Gesamtdurchflflutung —t gegenphasig zu dem Strom i ist (Abgabe eines negativen Impulses).

In der Wicklung 3 wird durch die analoge Eingangsspannung die Durchflutung o-a-b-c usw. erzeugt. Die Ordinatenabstände zwischen den aufein- xq anderfolgenden Punkten a, b, c usw. entsprechen der die Abgabe eines Impulses auslösenden Durchflutungsänderung t. Diese Durchflutung ist positiv gerichtet. Die in den Wicklungen 4 und 5 durch den Diskriminator D erzeugte Durchflutung ist strichpunktiert dargestellt; sie hat während der Vorwärtszählung die Ordinate + t/2 und während der Rückwärtszählung die Ordinate —t/2.

In den Wicklungen 6,7,8 wird von dem Vorwärts- und Rückwärtszähler C die durch die stark ausgezo- ao gene Linie dargestellte Durchflutung erzeugt, die sich bei jeder Fortschaltung des Zählers um den Wert t ändert und negativ gerichtet ist.

Die Ordinaten der verschiedenen Absätze des stark ausgezogenen Linienzuges entsprechen den aufeinanderfolgenden Zählerständen des Zählers C, wobei der Durchflutungsunterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Absätzen gleich t ist. Dieses Ergebnis wird dadurch erzielt, daß die Wicklungen 6, 7 und 8 jeweils an eine Stufe des dreistufigen Binär-Zählers C angeschlossen und so bemessen werden, daß sie eine dem Stellenwert der entsprechenden Stufe proportionale Durchflutung erzeugen, wenn sich diese Stufe in der Stellung »1« befindet. Die von den drei Wicklungen 6, 7 und 8 erzeugte Gesamtdurchflutung entspricht dann der folgenden Tabelle:

Angezeigte	2	1	Erregte
Binärzahl	0	1	Wicklung
Stufe des Zählers Nr.	0	0
3	1	1	8 + 6
1	1	0	8
1	0	1	6 + 7
0	0	0	7
0		6
0	0
0

Die Analogspannung hat im Punkt α den Wert 1, im Punkt b den Wert 2 usw. Aus F i g. 2 ist zu erkennen, daß der Zähler C vom Punkt al bis zum Punkt b 1, die zu beiden Seiten des Punktes α liegen, den Zählerstand 1 anzeigt, vom Punkt öl bis zum Punkt el zu beiden Seiten des Punktes b den Zählerstand 2 usw. Insgesamt ergibt sich folgende Zuordnung der angezeigten Binärzahlen und der Analoggroßen;

Analog im	größen	Angezeigte Binärzahlen	Zählerstand	0	0	Wert
Punkt	Wert	im Bereich	0	0	1	0
O	0	O bis öl	0	1	0	1
a	1	al bis bl	0	1	1	2
b	2	ölbis el	0	0	0	3
C	3	el bis dl	1	0	1	4
d	4	dl bis el	1	1	0	5
e	5	el bis /1	1	0	1	6
f	6	/Ibis gl	1	0	0	5
8	5	glbis hl	1	1	1	4
h	4	Al bis il	0	1	0	3
i	3	z'lbis kl	0	0	1	2
k	2	jfclbis Il	0	0	0	1
I	1	Il bis ml	0		0
m	0	ml bis m

Gesamtdurchflutung

45

5t

At

3t

2t

Unter diesen Bedingungen entspricht die resultierende Gesamtdurchflutung aller Wicklungen auf dem Magnetkreis 2 der sägezahnförmigen Linie

Ol-al-bl-cl-dl

55

usw. des Diagramms von F i g. 2. Die linke Hälfte dieser Linie entspricht der Abgabe von Vorwärtszählimpulsen und die rechte Hälfte der Abgabe von Rückwärtszählimpulsen.

Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß jede Änderung der dem Eingang zugeführten Analogspannung, durch welche die resultierende Gesamtdurchflutung so verändert wird, daß sie den Wert +t oder den Wert — t erreicht, die Abgabe eines Impulses auslöst, welcher den Vorwärts- und Rückwärtszähler C derart vorwärts (Vorwärtszählimpuls) oder rückwärts (Rückwärtszählimpuls) schaltet, daß die resultierende Durchflutung wieder auf 0 gebracht wird.

Es ist zu bemerken, daß mit einem Zähler mit drei Binärstufen insgesamt acht Zahlenwerte erhalten werden können und daß ganz allgemein ein Zähler mit «Stufen die Wiedergabe von 2 η Zahlenwerten gestattet.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einem die digitale Ausgangsgröße anzeigenden Binärzähler, einem den Vergleich zwischen der analogen Eingangsgröße und der digitalen Ausgangsgröße durchführenden Magnetkreis mit einer Eingangswicklung, der ein der analogen Eingangsgröße proportionaler Strom zugeführt wird, und mit wenigstens einer Kompensationswicklung, der ein dem Stand des Binärzählers proportionaler Strom zugeführt wird, sowie mit Einrichtungen zur Änderung des Zählerstandes des Binärzählers in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetfluß des Magnetkreises (2) ein Hallgenerator (1) ausgesetzt ist, der an den Ausgang eines einen Wechselstrom (z) konstanter Amplitude liefernden Oszillators (O) angeschlossen ist, daß der Binärzähler in an sich bekannter Weise als Vorwärts- und Rückwärtszähler (C) ausgebildet ist, daß die Hallspannung (u) einer Schaltung (A, M) zugeführt wird, welche einen je nach der Phasenlage der Hallspannung positiven oder negativen Impuls erzeugt, wenn die Amplitude der Hallspannung einen vorgegebenen Wert überschreitet, und daß die positiven und negativen Impulse dem Vorwärts- und Rückwärtszähler (C) als Vorwärts- bzw. Rückwärtszählimpulse zugeführt werden.

2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis (2) des Hallgenerators (1) Zusatzwicklungen (4, 5) trägt, die so bemessen sind und gespeist wer-

den, daß sie in dem Magnetkreis einen Magnetfluß erzeugen, der im wesentlichen gleich der Hälfte der die Abgabe eines Impulses auslösenden Flußänderung (t) ist und der während der Dauer einer Rückwärtszählung gleichsinnig und während der Dauer einer Vorwärtszählung gegensinnig zu dem von den Kompensationswicklungen (6, 7, 8) erzeugten Fluß ist.

3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärts- und Rückwärtszähler ein Binärzähler mit mehreren Stufen ist und daß jede Zählerstufe eine

eigene Kompensationswicklung derart speist, daß diese eine dem Stellenwert der zugeordneten Zählerstufe proportionale Durchflutung erzeugt, wenn sie in der dem Binärwert »1« entsprechenden Stellung ist.

Tn Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1022 400;
britische Patentschrift Nr. 873 796;
USA.-Patentschrift Nr. 2 539 623;
Zeitschrift »Deutsche Elektrotechnik«, 10 (1956), Heft 2 (Februar), S. 10 und 11.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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