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Verfahren und Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Umsetzung eines
Meßwertes Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur
Analog-Digital-Umsetzung eines auf einen Spannungswert zurückführbaren Meßwertes
mit einer einstellbaren Normalspannungsquelle und einem Vergleicher mit einem Digitalausgang
und Einrichtungen zum Subtrahieren der Normalspannung von dem zu messenden Spannungswert.
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Neben den zahlreichen bekannten Verfahren und SchaltungsanordnungenzurAnalog-Digital-Umsetzung
ist z. B. aus S t e i n b u c h, »Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung%
S. 776, insbesondere Abb. 5.8/32, eine Schaltungsanordnung bekannt,
in welcher mehrere, eine bestimmte Referenz- oder Normalspannung aufweisende Vergleicherstufen
vorgesehen sind. In der ersten Stufe wird die Meßspannung mit der größten Referenzspannung
2 (n) - U, verglichen; ist die Meßspannung U größer als die Referenzspannung,
so gibt der Vergleicher der ersten Stufe ein »L«-Signal ab, und die Meßspannung
U wird um den Betrag der Referenzspannung vermindert an die zweite Stufe
gegeben, wo diese verminderte Spannung mit der zweiten Referenzspannung 2 (n-1)
- U, verglichen und analog wie in der ersten Stufe behandelt wird.
Jede Stufe gibt die an sie gelangte Spannung unter Abgabe eines Digitalsignals an
die nächstfolgende Stufe weiter, wobei je nach Größe dieser Spannung gegenüber
der individuellen Referenzspannung der jeweiligen Stufe die Spannung um den Betrag
der Referenzspannung vermindert wird. Die Digitalausgänge der Vergleicher der einzelnen
Stufen geben dann die Digitalwerte der Meßspannung an, wobei jeweils eine Stufe
pro Binärstelle vorhanden ist.
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Bei einer solchen Schaltungsanordnung müssen also so viele Stufenjeweils
mit einer Referenzspannungsquelle, einem Vergleicher und einem Subtrahierer vorgesehen
sein, wie die größte mit der Anordnung noch umzusetzende Meßspannung U Binärstellen
aufweist. Eine solche Schaltungsanordnung ist also vor allem bei größeren Werten
einer Meßspannung U recht aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
zur Analog-Digital-Umsetzung eines als unbekannte Spannung vorliegenden Meßwertes
mit geringem und von der Anzahl der Binärstellen des Meßwertes unabhängigem Schaltungsaufwand
zu schaffen.
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Ausgehend von einem Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung eines auf
einen Spannungswert zurückführbaren Meßwertes durch einen Vergleich des zu ermittelnden
Spannungswertes mit einer einstellbaren Normalspannung, wobei an einem Digitalausgang
in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses ein »0«-Signal oder ein »L«-Signal erscheint
und von der' zu ermittelnden Meßspannung der Betrag der Normalspannung subtrahiert
wird, ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von der zu ermittelnden
Meßspannung UA nach dem Vergleich mit der Normalspannung UN beim Kriterium
UA # Uv die Normalspannung subtrahiert und die Restspannung vervielfacht wird, daß
die Meßspannung U-4 beim Kriterium U-4 > UE unverändert vervielfacht
wird, daß die jeweils vervielfachte Spannung UB wieder mit der gleichen Normalspannung
UN verglichen und genauso behandelt wird wie die ursprünglich zu ermittelnde
Spannung U,4, daß sich dieser Vergleichsvorgang so oft wiederholt, bis eine
vorgewählte binäre Stellenzahl des Meßergebnisses erreicht ist, wobei bei jedem
Vergleich der zu ermittelnden Spannung UA am Digitalausgang ein eine Binärstelle
des digitalen Meßergebnisses angebendes Signal ausgegeben wird. Gemäß einer Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zu ermittelnde Spannung einer den jeweiligen
Meßwert darstellenden Eingangsspannung kurzzeitig als »Probe« entnommen und gespeichert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, bei welcher zur Speicherung
der zu ermittelnden Meßspannung ein erster »Haltekreis« und zur Speicherung der
durch einen die Meßspannung mit der Normalspannung vergleichenden Vergleicher gelaufenen
Spannung ein zweiter Haltekreis vorgesehen ist, der zweite Haltekreis über Mittel
zur Subtraktion der Normalspannung von der Meßspannung in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis
und Mittel zur Verdoppelung der Meßspannung verfügt und der Ausgang des zweiten
Haltekreises mit dem Speicher des ersten Haltekreises über
einen
gesonderten Verstärker und elektronischen Schalter verbunden ist.
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Unter der Bezeichnung »Haltekreis«sind Schaltungsanordnungen bekanntgeworden,
die kurzzeitig die am Eingang liegende elektrische Größe, z. B. die Eingangsspannung,
über einen meist elektronischen Schalter abtasten, sodann diese der Eingangsgröße
entnommene »Proben( z. B. auf einem Kondensator speichern und diese unabhängig von
eventuellen Änderungen der Eingangsgröße zur Verarbeitung bereithalten.
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Durch die Haltekreise wird der Eingang nur kurzzeitig zu einer »Probenentnahme«
aus einer unbekannten Spannung UE an die eigentliche Auswerteschaltung geschaltet.
Danach wird die Spannungsprobe U,1 in dem ersten Haltekreis gespeichert und
mit einer Normalspannung UN verglichen, wobei beim Kriterium UA ##
UN am Digitalausgang ein »L«-Signal, bei U,1 < UN
ein »0«-Signal erscheint.
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Beim Kriterium U,4 2# UN wird in dem zweiten Haltekreis
von der unbekannten Spannung UA die Normalspannung Uv abgezogen und die verbleibende
Restspannung verdoppelt. Diese verdoppelte Spannung wird über einen gesonderten
Verstärker und Schalter auf den Speicher des ersten Haltekreises zurückgegeben,
worauf diese Spannung nochmals durch den Vergleicher und den zweiten Haltekreis
gegeben wird. Dieses geschieht so lange, bis die gewünschte binäre Stellenzahl erreicht
ist. Bei jedem Durchgang der Spannung durch den Vergleicher wird an dessen Digitalausgang
eine Binärstelle des digitalen Meßergebnisses ausgegeben. Das digitale Meßergebnis
hat also so viele Binärstellen wie Umläufe der Spannung stattgefunden haben. Die
Stellenzahl kann in einer Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von der jeweils
gewünschten Normalspannung Uiv so vorgewählt werden, daß ein zu erwartendes Meßergebnis
mit ausreichender Genauigkeit bestimmbar ist.
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Damit ist aber der Schaltungsaufwand für den Analog-Digital-Umsetzer
unabhängig von der Anzahl der Binärstellen und relativ gering. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung hat außerdem den Vorteil, daß sie immer nur einen Augenblickswert
des angebotenen Meßwertes ermittelt, also unabhängig von eventuell während des Auswertevorgangs
auftretenden Änderungen der Eingangsgröße ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Haltekreis
so ausgeführt, daß bei jedem vierten Umlauf die Meßspannung nicht verdoppelt, sondern
mit dem Faktor »1,25« multipliziert wird, Eine solche Schaltungsanordnung gibt den
Meßwert als binärverschlüsselte mehrstellige Dezimalzahl an, wobei nach dem »1248«-Dezimalkode
jede Dezimalziffer durch eine vierstellige Binärzahl angegeben wird. Die Schaltungsanordnung
gibt nach jedem vierten Umlauf der Meßspannung die erste Binärstelle für eine neue
Dezimalziffer an.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in den Rückkopplungszweig
des ersten Haltekreises ein regelbarer Spannungsteiler eingeschleift, der ähnlich
wie bei dem zweiten Haltekreis eine Verstärkung der Eingangsspannung ermöglicht.
Über diesen Spannungsteiler kann zusätzlich zu der durch die Wahl der Normalspannung
UN gegebenen Meßbereichsumschaltung der Meßbereich des Analog-Digital-Umsetzers
umgeschaltet werden.
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Alles Nähere der Erfindung wird an Hand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele erläutert. Im einzelnen zeigt F i g. 1 schematisch einen
Haltekreis, F i g. 2 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zwei Haltekreisen,
F i g. 3 eine weitere Ausführungsform für die Ermittlung von Digitalwerten
im 1248-Dezimalkode und F i g. 4 eine andere Ausführungsform des ersten Haltekreises.
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In F i g. 1 ist schematisch ein in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
verwendeter Haltekreis dargestellt. Dieser besteht aus einem als Differenzverstärker
ausgebildeten Eingangsverstärker 1, dessen Ausgang über einen elektronischen
Schalter 2 auf einen Speicherkondensator 3 geschaltet ist, der wiederum mit
dem Eingang eines Ausgangsverstärkers 4 verbunden ist. Der Ausgang desAusgangsverstärkers
4 ist auf den Eingang des als Differenzverstärker wirkenden Eingangsverstärkers
1 geschaltet. Der Ausgangsverstärker 4 ist völlig gegengekoppelt, so daß
er einen sehr hohen Eingangswiderstand zur Vermeidung von Leckverlusten des Speicherkondensators
3
erhält.
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Der Eingangsverstärker 1 besitzt eine hohe Eigenverstärkung
« 103), um eine möglichst genaue Übereinstimmung zwischen Eingangsspannung
und Ausgangsspannung des Haltekreises zu erzielen. Der Verstärkungsfaktor des Ausgangsverstärkers
4 ist dagegen gleich 1.
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Der elektronische Schalter 2 besteht aus zwei Transistoren T, und
T, deren Basen über einen Übertrager Ü angesteuert werden. Nur während eines
an die Basen gegebenen kurzzeitigen Tastimpulses werden die Kollektor-Emitter-Strecken
der beidenTransistoren T, und T2 leitend und schalten damit den Ausgang des Eingangsverstärkers
1 auf den Speicherkondensator 3
durch. Damit die Transistoren T, und
T2 im nichtleitenden Zustand sicher sperren und die Transistorleckströme so klein
wie möglich sind, sind ihren Kollektor-Emitter-Streckenjeweils inDurchlaßrichtung
geschaltete Dioden D, und D, vorgeschaltet.
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Die Wirkungsweise eines solchen Haltekreises ist folgende: Eine am
Eingang anstehende Spannung UE wird über den Eingangsverstärker 1 verstärkt
und steht am geöffneten elektronischen Schalter 2 an. Bei einem Tastimpuls werden
beide Transistoren T, und T, leitend, der Schalter 2 also »geschlossen% und der
Kondensator 3 wird auf die vom Verstärker 1 abgegebene Spannung aufgeladen.
Die Ausgangsspannung U,4 am Ausgang des Verstärkers 4 folgt dabei der Kondensatorspannung
und gelangt über die Rückkopplung gleichzeitig auf den Eingang des als Differenzverstärker
wirkenden Verstärkers 1, d. h., dieser lädt den Kondensator nur so lange
auf, bis die Ausgangsspannung U-4 gleich der Eingangsspannung UE ist. Dieser
Aufladungsvorgang des Kondensators 3 auf die Eingangsspannung U,4
= UE spielt sich in einer gegenüber der Dauer des Tastimpulses sehr kurzen
Zeit ab.
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In F i g. 2 ist eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
zur Analog-Digital-Umsetzung dargestellt, die aus zwei Haltekreisen gemäß F i
g. 1
aufgebaut ist. Die Eingangsspannung UE gelangt über einen Eingangsverstärker
l' und einen elektronischen Schalter 2' auf einen Speicherkondensator
3'. An einem Schaltpunkt 5 erscheint die über einen Aus# gangsverstärker
4' weitergegebene, im Speicherkondensator 3' enthaltene Ausgangsspannung
U4, die
über einen Vergleicher 6 mit einer Normalspannung
Uv verglichen wird. Die Spannung UA gelangt dann über einen zweiten Eingangsverstärker
7 des zweiten Haltekreises und einen Schalter 8 auf einen zweiten
Speicherkondensator 9, dessen gespeicherte Spannung als Spannung
UB über einen zweiten Ausgangsverstärker 10 des zweiten Haltekreises
an einen Schaltpunkt 11 gelangt. Der Verstärker 10 des zweiten Haltekreises
ist im Gegensatz zum Verstärker 4' des ersten Haltekreises über einen aus Widerständen
12 und 13 bestehenden Spannungsteiler auf den Eingang des Eingangs- bzw.
Differenzverstärkers 7 rückgekoppelt. Die Widerstände 12 und 13 sind
dabei so ausgelegt, daß im Rückkopplungszweig eineSpannungsteilung im Verhältnis
2: 1 stattfindet und somit der Verstärkungsfaktor des Verstärkers
10 gleich 2 ist. In den Rückkopplungszweig des Verstärkers 10 wird
außerdem über einen Schalter 15 ein von einer Stromquelle 14 gelieferter
und der Normalspannung UN
entsprechender Strom Iv eingespeist. Der Schalter
15
wird vom Vergleicher 6 so betätigt, daß er beim Kriterium
U,1 2# Uy jeweils geschlossen ist. Die Stromeinspeisung bei geschlossenem
Schalter 15 bewirkt dabei eine Subtraktion der Normalspannung UN
von
der am Eingang des zweiten Haltekreises anstehenden Spannung UA. Die am Schaltpunkt
11 des zweiten Haltekreises anstehende Spannung UB wird über einen
gesonderten Verstärker 16 und einen Schalter 17 auf den Speicherkondensator
3' des ersten Haltekreises zurückgegeben und erscheint dort wieder als neue
Spannung UA. Die elektronischen Schalter T, 8 und 17 werden von einer
Steuerungseinrichtung 24 nacheinander in bestimmter Weise betätigt, wobei die Anzahl
der Schalterbetätigungen in der Steuerungseinrichtung jeweils so vorgewählt wird,
daß die Stellenzahl des binären Meßergebnisses gleich der Stellenzahl der Binärzahl
ist, die den Betrag der jeweils vorgewählten Normalspannung Ulv in binärverschlüsselter
Form angibt.
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Die Wirkungsweise des Analog-Digital-Umsetzers gemäß Fig. 2 ist folgende:
Die am Eingang des ersten Haltekreises anstehende und zu ermittelnde Meßspannung
UE wird bei Schließen des Schalters 2' im Speicherkondensator 3' gespeichert.
Gleichzeitig gelangt sie über den Ausgangsverstärker 4' als Spannung UA an den Schaltpunkt
5,
wo sie im Vergleicher 6 mit der Normalspannung UN
verglichen
wird. Der Schalter 2' ist nur für eine kurze, zur »Probenentnahme« aus der am Eingang
anstehenden Spannung UE ausreichende Zeit geschlossen.
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Je nach Ergebnis des im Vergleicher 6 vorgenommenen Vergleichs
der Spannung UA mit der Normalspannung Uy erscheint am Digitalausgang
23 dieses Vergleichers ein »L«-Signal beim Kriterium UA ## UN
oder
ein »0«-Signal beim Kriterium UA > Uy. Beim ersten Kriterium wird
gleichzeitig der Schalter 15 geschlossen. Mit dem Schließen des Schalters
8 des zweiten Haltekreises gelangt die am Schaltpunkt 5
stehende Spannung
UA über den Verstärker 7 und den Schalter 8 auf den Speicherkondensator
9, wobei im Speicherkondensator 9 nur eine solche Spannung gespeichert
wird, die sich durch eventuelle Subtraktion der Normalspannung UN und einer
anschließenden Verdopplung, bedingt durch den Spannungsteiler und, die Stromeinspeisung,
im Rückkopplungszweig des Verstärkers 10 ergibt.
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Da der Eingangsverstärker 7 ebenfalls ein Differenzverstärker
ist, erfolgt durch die Spannungsteilung der betragsmäßig gleichen Widerstände 12
und 13 im Rückkopplungszweig eine Verdopplung der Eingangsspannung UA. Wird
bei geschlossenem Schalter 15
außerdem noch ein Strom Iv von solcher Größe
in den Spannungsteiler eingespeist, daß am Widerstand 13
eine Spannung von
Uv abfällt, so wird der Speicherkondensator 9 über den Differenzverstärker
7 auf eine Spannung UB = (UA - UN) - 2 aufgeladen.
Diese Spannung, die gleichzeitig am Schaltpunkt 11 erscheint, wird anschließend
über den ebenfalls als Differenzverstärker ausgebildeten Verstärker 16 und
den nun geschlossenen Schalter 17
wieder auf den Speicherkondensator
3' des ersten Haltekreises zurückgegeben, so daß sie als neue am Schaltpunkt
5 anstehende Spannung U,1 erscheint.
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Diese Spannung wird jetzt wieder am Vergleicher 6
mit der Normalspannung
UN verglichen und je nach Vergleichsergebnis entweder nach Subtraktion
der Normalspannung Uv oder aber sofort verdoppelt, wobei am Digitalausgang
23 des Vergleichers wiederum je nach Vergleichsergebnis ein die nächste
Binärstelle angebendes Digitalsignal erscheint. Die Spannung läuft nun in der gesamten
Schaltungsanordnung so oft um, wie Schalterzyklen in der Steuerungseinrichtung 24
vorgewählt sind, also die Steuerungseinrichtung 24 nacheinander die Schalter
8 und 17
betätigt. Am Digitalausgang 23 der Schaltungsanordnung
erscheinen dabei nacheinander so viele jeweils eine Binärstelle angebende Signale,
wie Spannungsumläufe stattgefunden haben.
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Während der Schalter 2' immer nur zu Beginn einer Messung kurzzeitig
geschlossen und damit eine »Probe« der Meßspannung entnommen wird, werden die Schalter
8 und 17 wechselweise nacheinander bei jedem Spannungsumlauf einmal
geschlossen.
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Im folgenden sei an Hand von zwei Beispielen verschiedener zu messender
Eingangsspannungen UE und verschiedener Normalspannungen
UN bei entsprechend
vorgewählten binären Stellenzahlen die Arbeitsweise und Ermittlung des Digitalwertes
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach F i
g. 2 gezeigt.
| Uy 4 V; UE = 3 V; Stellenzahl:
3. |
| U', Vergleichs- U" |
| Digitalwert |
| ergebnis |
| 1 3 V UA4< UN 6 V »o« |
| 2 6 V UA > UN 4 V »L« |
| 3 4 V UA = UN 0 V »L« |
| 3 |
| UN 8 V; U-p = 11 V; Stellenzahl:
4. |
| UA Vergleichs- |
| ergebnis us Digitalwert |
| 1 iiv UA > UN 6 V »L« |
| 2 6 V UA4< UN 12 V »0« |
| 3 12 V UA > UN 8 V »L« |
| 4 8 V UA = UN OV »L« |
| 11 |
Die in F i
g. 3 dargestellte Ausführungsform des Analog-Digital-Umsetzers
unterscheidet sich von der
in F i
g. 2 gezeigten Schaltungsanordnung
durch einen zusätzlichen Eingangsverstärker
18 und einen zusätzlichen Schalter
19 innerhalb des zweiten Haltekreises und einen zusätzlichen, aus den Widerständen
20 und 21 bestehenden Spannungsteiler und einer Stromquelle 22, die so dimensioniert
sind, daß sie zwar ebenfalls beim Kriterium UA ##: Uv den Betrag der jeweiligen
Normalspannung
UN von der zu ermittelnden Spannung
U_4 subtrahieren,
aber statt einer Verdopplung der Restspannung eine Multiplikation dieser Restspannung
mit dem Faktor
1,25
bewirken.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung ist der der in F i
g. 2 gezeigten Schaltungsanordnung identisch, nur daß jetzt bei jedem vierten
Umlauf der zu ermittelnden Spannung durch die Haltekreise an Stelle des Schalters
8' der Schalter 19 geschlossen wird und damit über den aus den Widerständen
20 und 21 bestehenden Spannungsteiler und die Stromquelle 22 die jeweils verbleibende
Restspannung U-4 nach einer eventuellen Subtraktion um die Spannung UN
nicht verdoppelt, sondern mit dem Faktor 1,25
multipliziert wird. Damit erscheint
am Digitalausgang 23' des Vergleichers 6' nach jedem vierten Umlauf
ein die jeweils erste Binärstelle einer im 1248-Dezimalkode dargestellten neuen
Dezimalziffer angebendes Digitalsignal.
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Die Arbeitsweise und Ausgabe des digitalen Meßergebnisses einer Schaltungsanordnung
gemäß Fig.
3
wird im folgenden ebenfalls an Hand zweier verschiedener Eingangsspannungen
UE und Normalspannungen
UN gezeigt.
| UN 80 mV; UE = 56 mV; Stellenzahl:
2.4. |
| Uli Vergleichsergebnis Schalter Ue
Digitalwert |
| 1 56 mV UA < UN 8t 112 niV
»0« |
| 2 112 mV UA > UN 81 64 niV »L« |
| 3 64 mV UA < UN 81 128 mV
»o« 5 |
| 4 128 MV U4 > UN 191 60 mV »L« |
| 5 60 mV UA < UN 81 120 mV
»o« |
| 6 120 mv UA > UN 81 80 mv »L« |
| 7 80 inV U4 UN 81 0 »L«
6 |
| 8 0 19 0 »0« |
| UN 800 inV; UE 564 mV; Stellenzahl:
3 - 4 |
| UA Vergleichsergebnis Schalter
UB Digitalwert |
| 1 564 mV UA < UN 81 1128 mV
»0« |
| 2 1128 raV U.A > UN 81 656 niV
»L« |
| 3 656 mV U-4 < UN 81 1312 mV
»0« 5 |
| 4 1312 mV UA > U'v 19 640 niV
»L« |
| 5 640 niV UA < UN 81 1280 mV
»0« |
| 6 1280 mV UA > UN 81 960 mV
»o« |
| 7 960 mV UA > UN 81 320 mV »L«
6 |
| 8 320 inV UA < UN 19 400 mV
»0« |
| 9 400 mV UA < UN 81 800 mv »0« |
| 10 800 mv UA UN 81 0 »L« |
| 11 0 81 0 »0« 4 |
| 12 0 19 0 »0« |
Die Wahl der Normalspannung
UN hat dabei so zu erfolgen, daß die maximale
zu ermittelnde Eingangsspannung Uv nicht größer als UE
Max = 2 UN
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ist; zweckmäßig wird die Normalspannung daher in der Größenordnung
des zu erwartenden Meßwertes vorgewählt.
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Eine zusätzliche Möglichkeit zur Meßbereichsumschaltung zu der durch
die Wahl der Normalspannung UN gegebenen Möglichkeit der Meßbereichsumschaltung
des Analog-Digital-Umsetzers wird, wie in F i g. 4 gezeigt, durch einen aus
Widerständen 25 und 26 gebildeten regelbaren Spannungsteiler im Rückkopplungszweig
des ersten Haltekreises erreicht. Je nach Einstellung dieses Spannungsteilers wird
die am Eingang liegende Meßspannung U-v um einen bestimmten Verstärkungsfaktor V
auf den Wert U,i = V - UE verstärkt.