DE1276707B - Anordnung zur Analog-Digital-Umsetzung mit einem Spannungsfrequenzwandler - Google Patents

Anordnung zur Analog-Digital-Umsetzung mit einem Spannungsfrequenzwandler

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DE1276707B
DE1276707B DES91869A DES0091869A DE1276707B DE 1276707 B DE1276707 B DE 1276707B DE S91869 A DES91869 A DE S91869A DE S0091869 A DES0091869 A DE S0091869A DE 1276707 B DE1276707 B DE 1276707B
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frequency converter
pulse
charge
voltage
voltage frequency
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DES91869A
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Dipl-Ing Hans Kuerner
Dipl-Ing Hans Breunig
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K7/00Modulating pulses with a continuously-variable modulating signal
    • H03K7/06Frequency or rate modulation, i.e. PFM or PRM
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/60Analogue/digital converters with intermediate conversion to frequency of pulses

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)

Description

  • Anordnung zur Analog-Digital-Umsetzung mit einem Spannungsfrequenzwandler Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Analog-Digital-Unisetzung mit einem Spannungsfrequenzwandler, der einen Energiespeicher, vorzugsweise einen Integrationskondensator, enthält, der durch die Meßspannung aufgeladen und bei Erreichen einer bestimmten Spannung durch eine Kompensationsladungsmenge unter Abgabe eines Ausgangsimpulses wieder entladen wird, und dessen Ausgangsfrequenz durch Zählen der Schwingungen bzw. Impulse während eines konstanten Zeitintervalls gemessen wird.
  • Die bekannten Spannungsfrequenzwandler erzeugen ein Impulssignal, dessen Frequenz von der Höhe der zugeführten Meßgleichspannung abhängt. Sie enthalten einen Energiespeicher meist in Form eines Kondensators, der entsprechend der Höhe der zugeführten Meßgleichspannung mehr oder weniger schnell aufgeladen und bei Erreichen eines bestimmten Ladungszustandes, der mit Hilfe eines Diskrüninators ermittelt wird, wieder entladen wird. Bei jedem Entladungsvorgang wird ein Impuls erzeugt. Die Frequenz dieser Impulse ist ein Maß fÜr die angelegte Gleichspannung. Durch Zählung dieser Impulse in einer Zählkette innerhalb eines konstanten Zeitintervalls, das im allgemeinen von einer Normalfrequenz abgeleitet wird, läßt sich der digitale Wert der angelegten Meßgleichspannung ermitteln. Ist die erzeugte Impulsfrequenz sehr hoch, so sind, falls nicht sehr kurze Zeitintervalle für die Messung vorgesehen sind, vielgliedrige Zählketten erforderlich. Ein verhältnismäßig geringer Aufwand für den Spannungsfrequenzwandler und die Zählkette läßt sich erreichen, wenn die Impulsperiode der Normalfrequenz nicht wesentlich kleiner ist als das Meßintervall, so daß keine oder nur wenige Untersetzerstufen erforderlich sind, und wenn die Anordnung derart getroffen wird, daß die Anzahl der während des Meßintervalls maximal zu zählenden Impulse nicht sehr groß ist. Da Anfang und Ende des Meßintervalls mit der zu messenden Impulsfrequenz nicht synchronisiert sind, ergibt sich bei der Messung ein sogenannter Quantisierungsfehler von ± 1 Impuls, der sich um so stärker auswirkt, je geringer die Anzahl der pro Meßintervall zu zählenden Impulse ist. Dieser Quantisierungsfehler addiert sich zu den Ungenauigkeiten des Spannungsfrequenzwandlers, des Meßfühlers usw. Bei Wiederholung der Messung kann man verschiedene Werte erhalten, auch wenn der durch die zugeführte Eingangsgleichspannung gebildete Meßwert selbst konstant bleibt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den oben geschilderten Quantisierungsfehler zu vermeiden oder weitgehend zu verringern. Hierzu wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der Beginn des Meßintervalls an einen definierten Ladungszustand des Energiespeichers gebunden ist. Eine Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Impulsgabe des Spannungsfrequenzwandlers vor dem Beginn des Meßintervalls gesperrt ist und daß in dessen Energiespeicher zwangläufig ständig ein definierter Ladungszustand aufrechterhalten wird. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der Energiespeicher des Spannungsfrequenzwandlers bis zu Beginn des Meßintervalls auf etwa der Hälfte der Ladung gehalten wird, die zur Auslösung eines Impulses erforderlich ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist im Spannungsfrequenzwandler ein Diskriminator vorgesehen, der bewirkt, daß der Energiespeicher bei überschreiten eines bestimmten Ladungszustandes, z. B. 55% des Auslösewertes für einen Impuls, um einen festen Ladungsbetrag, z. B. 1011/ü, wieder entladen wird. Das Meßintervall wird hierbei zweckmäßig wie bekannt von einer Normalfrequenz abgeleitet. Andererseits ist eine Normalfrequenz nicht erforderlich, wenn gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung der Spannungsfrequenzwandler entsprechend der Höhe der angelegten Meßspannung Impulse an eine Schaltvorrichtung abgibt, welche die Impulse nur während eines Zeitintervalls an eine Zähleinrichtung weiterleitet, das durch eine monostabile Kippstufe bestimmt ist, die jedoch die genannte Schaltvorrichtung nur dann öffnet, wenn zwischen einem Startimpuls zur Auslösung des Meßintervalls und der Pause zwischen zwei vom Spannungsfrequenzwandler abgegebenen Impulsen Koinzidenz besteht. Im einzelnen kann die Anordnung derart getroffen werden, daß eine bistabile Kippstufe vorgesehen ist, die durch einen Startimpuls angesteuert wird und ihrerseits ein NOR-Gatter ansteuert, dem das invertierte Impulssignal des Spannungsfrequenzwandlers zugeführt wird, daß ferner das genannte NOR-Gatter eine mdnostabile Kippstufe steuert, welche das Meßintervall bestimmt und durch deren Ausgangsgröße einerseits die bistabile Kippstufe zurückgestellt und andererseits während des Meßintervalls ein weiteres NOR-Gatter geöffnet wird, über das die Impulse des Spannungsfrequenzwandlers der Zähleinrichtung zugeführt werden. Falls die Forderung besteht, daß der Beginn der Messung nicht zu lange verzögert werden darf, was beispielsweise bei Meßwertverarbeitungsanlag-en mit zyklischer Meßwertabfrage der Fall sein kann, ist es möglich, im unteren Bereich, beispielsweise zwischen 0 und 1011/o des Endwertes des Meßbereichs, der im allgemeinen nur sehr selten ausgenutzt wird, auf eine völlige Beseitigung des Quantisierungsfehlers zu verzichten. Hierzu wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, daß der Starthnpuls gleichzeitig einer weiteren monostabilen Kippstufe zugeführt wird, deren Rückkehrzeit etwa der zehnfachen Dauer der kleinsten Impulsperiode entspricht und die zwangläufig die monostabile Kippstufe ansteuert, welche das Meßintervall bestimmt.
  • Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, erläutert.
  • F i g. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Spannungsfrequenzwandler, dessen Energiespeicher durch einen zweiten Diskriminator jeweils in einem definierten Zustand gehalten wird, wenn keine Messung erfolgt; # i g. 2 zeigt ein Diagramm; # i g. 3 zeigt als. weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Spannungsfrequenzwandler, bei dem die Meßzeit von einer-bistabilen Kippstufe abgeleitet wird; F i g. 4 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3. - In F i g. 1 ist mit SFW ein Spannungsfrequenzwandler bezeichnet, an dessen Eingangsklemmen Ei und E, eine veränderbare Gleichspannung zugeführt wird, die den Meßwert darstellt. An den Ausgangsklemmen Al und A, wird während des Meßintervalls eine Impulsfrequenz. abgegeben, die einer Zählkette Z zugeführt wird. Das Meßintervall wird durch einen Normalfrequenzgenerator NG bestimmt, der gegebenenfalls über eine Untersetzerschaltung U ein Relais R steuert. Das Meßintervall wird durch einen dem Startimpuls, der beispielsweise durch den Taster T gegeben wird, folgenden Impuls des Generators NG eingeleitet. Der Taster T bewirkt, daß das Relais S anzieht und sich über den Kontakt s. so lange selbst hält, bis das Meßintervall abgelaufen ist und über das von der Untersetzerschaltung U gesteuerte Relais R der Kontakt ri geöffnet wird. Es sei dabei angenommen, daß die Frequenz des Normalfrequenzgenerators NG so groß sei, daß die variable Zeit, die zwischen Betätigung des Starttasters T und der Abgabe des ersten Impulses an den Untersetzer U vergehen kann, nur einen vernachlässigbaren Meßfehler hervorruft. - Der Spannungsfrequenzwandler SFW enthält einen Verstärker V, in dessen Gegenkopplungskreis der als Energiespeicher dienende Kondensator C liegt. Dieser i wird jetzt nach Höhe der an den Klemmen Ei und E, liegenden Meßgleichspannung mehr oder weniger schnell auf einen bestimmten Wert aufgeladen, bei dessen Erreichen der Diskriminator D., der während des Meßintervalls durch den Kontakt s5 mit dem Ausgang des Verstärkers T7 verbunden ist, wieder auf einen festen Wert entladen wird. Gleichzeitig wird von dem Diskriminator D, ein Impuls über die Ausgangsklemmen A1 und A, an die Zählkette Z abgegeben. Es ist verständlich, daß bei einer im Vergleich zur Dauer des Meßintervalls nicht sehr kurzen Impulsperiode das Meßergebnis vom Zeitpunkt des Einsatzes des Meßintervalls beeinflußt wird, da es um ± 1 Impuls schwanken kann. Andererseits ist es im Hinblick auf Verringerung des Aufwandes günstig, Meßintervall und Impulsfrequenz so zu legen, daß jeweils möglichst wenige Impulse gezählt werden müssen.
  • Zur Vermeidung des geschilderten Quantisierungsfehlers ist nun gemäß der Erfindung ein zweiter Diskriminator D, vorgesehen, der im Ruhezustand, d. h. während der Zeit außerhalb des Meßintervalls, über den Kontakt s", wie gezeichnet, mit dem Ausgang des Verstärkers Y und damit auch mit dem Kondensator C verbunden ist und bewirkt, daß der Kondensator C jeweils in einem Ladungszustand gehalten wird, der etwa 50% des Wertes entspricht, den der Kondensator erreicht, wenn er durch den Diskriminator D, während des Meßintervalls unter gleichzeitiger Impulsabgabe auf den Ausgangswert entladen F i g. wird. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem über -Zen Impulsen der Normalfrequenz, die vom Normalfrequenzgenerator NG abgegeben werden, die Ausgangsimpulse des Spannungsfrequenzwandlers SFW aufgetragen sind. Darüber ist eine Sägezahnkurve dargestellt, die den Verlauf des Ladungszustandes des Kondensators C versinnbildlicht. Der Maximalwert der Sägezahnkurve wird durch den Schwellwert des Diskriminators Di begrenzt. Zwischen den Meßintervallen wird durch den Diskriminator D, der Ladungszustand des Kondensators C zwischen zwei Werten Q, und Q2 festgehalten, die etwa der Hälfte der Laduligsmenge entsprechen, die bei Erreichen des Schwellwertes des Diskriminators D, im Kondensator C gespeichert ist. Auf die geschilderte Weise läßt sich erreichen, daß der Ladungszustand des als Energiespeicher dienenden Kondensators C unabhängig von dem Zeitpunkt ist, zu dem das Meßintervall beginnt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß das Meßintervall stets etwa in der Hälfte einer Impulsperiode der vom Spannungsfrequenzwandler SFW abgegebenen Impulse beginnt.
  • Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung kommt ein Normalfrequenzgenerator zur Ableitung des Meßintervalls in Fortfall. Der Spannungsfrequenzwandler ist dort mit UFW bezeichnet. An dessen Eingangskleinmen Ei und E2 liegt, wie bei der Anordnung nach F i g. 1, eine Gleichspannung veränderbarer Höhe. Im Gegensatz zu Fig. 1 enthält der Spannungsfrequenzwandler UFW jedoch nur einen Diskriminator, der auch in den Pausen zwischen den Messungen arbeitet. Der Ausgang A des Spannungsfrequenzwandlers UFW liefert einerseits über das TorI (NOR-Gatter) Zählimpulse an die Zählkette Z. Andererseits ist der Ausgang A des Spannungsfrequenzwandlers UFW über die Inverterstufe JV und das Tor II (NOR-Gatter) mit einer monostabilen Kippstufe MK, verbunden, deren Rückkehrzeit das Meßintervall bestimmt. Die Starttaste T steuert bei der Anordnung nach F i g. 3 die bistabile Kippstufe BK an, wodurch das Tor II vorbereitet wird. Dieses gibt, veranlaßt durch die invertierten Ausgangsimpulse des UFW einen Impuls ab, dessen Rückflanke die monostabile Kippstufe MK, in ihren labilen Zustand versetzt, d. h. sobald eine Pause zwischen den vom Spannungsfrequenzwandler UFW am Ausgang A abgegebenen Impulsen eintritt. Solange die monostabile Kippstufe MK, in ihrem labilen Zustand liegt, was dem Meßintervall entspricht, gelangen die Impulse des Spannungsfrequenzwandlers UFW vom Ausgang A über das Tor 1 in die Zählkette Z. Ist die monostabile KippstufeMK, in ihren stabilen Zustand zurückgefallen, so sperrt das Tor I. Gleichzeitig wird die bistabile Kippstufe BK in ihren Ausgangszustand zurückgestellt.
  • Um zu vermeiden, daß bei sehr niedriger Impulsfrequenz der vom Spannungsfrequenzwandler UFW abgegebenen Impulse, entsprechend einer sehr niedrigen an den Eingangsklemmen EI und E" zugeführten Meßspannung, eine zu lange Zeit vergeht, bis ein Meßvorgang über die Kippstufe MK, zum Ablauf gebracht wird, ist bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 eine weitere monostabile Kippstufe MK, vorgesehen, deren Eingang ebenfalls der Startimpuls über den Taster T zugeführt wird und deren Ausgang mit dem Eingang der monostabilen Kippstufe MK, verbunden ist. Nach Ablauf einer durch die Stufe MK2 bestimmten Zeit wird zwangläufig ein Meßvorgang eingeleitet, indem die monostabile Kippstufe MK1 in ihren labilen Zustand versetzt wird. Auf diese Weise kann die bei Meßwertverarbeitungsanlagen häufig bestehende Forderung nach einem begrenzten Zeitintervall zur Abfrage jeder Meßstelle eingehalten werden, auch wenn der Meßwert zufällig sich in einem selten vorkommenden Anfangsbereich befinden sollte, in dem in den meisten Fällen auf hohe Genauigkeit verzichtet werden kann. Dieser Bereich kann beispielsweise 10% des Endwertes umfassen.

Claims (2)

  1. Patentansprüche-1. Anordnung zur Analog-Digital-Umsetzung mit einem Spannungsfrequenzwandler, der einen Energiespeicher, vorzugsweise einen Integrationskondensator, der durch die Meßspannung aufgeladen und bei Erreichen einer bestimmten Spannung durch eine Kompensationsladungsmenge unter Abgabe eines Ausgangsimpulses wieder entladen wird, enthält und dessen Ausgangsfrequenz durch Zählen der Schwingungen bzw. Impulse während eines konstanten Zeitintervalls gemessen wird, dadurch gekennz e i c h n e t, daß der Beginn des Meßintervalls an einen definierten Ladungszustand des Energiespeichers gebunden ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Beginn des Meßintervalls die Impulsabgabe des Spannungsfrequenzwandlers (SFW) gesperrt ist und in dem Energiespeicher (C) zwangläufig ständig der definierte Ladungszustand aufrechterhalten wird. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (C) des Spannungsfrequenzwandlers (SFW) bis zu Beginn des Meßintervalls auf etwa der Hälfte der Ladung gehalten wird, die zur Auslösung eines Impulses erforderlich ist. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Spannungsfrequenzwandler (SFW) ein Diskriminator (D2) Vorgesehen ist, der bewirkt, daß der Energiespeicher (C) bei überschreiten eines bestimmten Ladungszustandes, z. B. 55 1/o des Auslösewertes für einen Impuls, um einen festen Ladungsbetrag, z. B. 10 1/o, wieder entladen wird. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßintervall von der Periodendauer eines Normalfrequenzgenerators (NG) abgeleitet wird. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsfrequenzwandler (UFW) Impulse an eine Schaltvorrichtung abgibt, welche die Impulse an einen Zähler nur während eines Zeitintervalls weiterleitet, dessen Beginn durch den Ladungszustand des Energiespeichers und dessen Länge durch die Zeitkonstante einer monostabilen Kippstufe bestimmt ist. 7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine bistabile Kippstufe (BK) vorgesehen ist, die durch einen Startimpuls angesteuert wird und ihrerseits ein Tor II (NOR-Gatter) ansteuert, dem das invertierte Impulssignal des Spannungsfrequenzwandlers (UFW) zugeführt wird, daß ferner das genannte Tor II eine monostabile Kippstufe (MK,) steuert, welche das Meßintervall bestimmt und durch deren Ausgangsgröße einerseits die bistabile Kippstufe (BK) zurückgestellt und andererseits während des Meßintervalls ein weiteres Tor I (NOR-Gatter) geöffnet wird, über das die Impulse des Spannungsfrequenzwandlers (UFW) der Zähleinrichtung (Z) zugeführt werden. 8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Startimpuls gleichzeitig einer weiteren monostabilen Kippstufe (MK.) zugeführt wird, deren Rückkehrzeit etwa der zehnfachen Dauer der kleinsten Impulsperiode entspricht und die zwangläufig die monostabile Kippstufe (MK,) ansteuert, welche das Meßintervall bestimmt. In Betracht gezogene Druckschriften: Siemens-Zeitschrift, Januar 1964, S. 36 bis 39.
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