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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen, die
in den Figuren dargestellt sind, erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.