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Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer mit Durchführung
eines Vergleichs mit Grenzen, mit einem Digital-Speicher, dessen Ausgangssignal
in ein Analogsignal umgewandelt wird, das dann in einem Vergleichsverstärker eingespeist
wird, um dort ' in seiner Größe mit dem analogen Eingangssignal verglichen
zu werden, wobei das sich ergebende Differenzsignal in einer Steuerschaltung dazu
verwendet wird, die digitale Zählung in dem Register durch aufeinanderfolgende Beträge
einzustellen, bis am Ende der Folge von Vergleichsschritten die beiden miteinander
verglichenen Analogsignale innerhalb einer vorbestimmten Toleranz gleich sind.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf sogenannte Außerbereichsvergleichseinrichtungen,
die anzeigen sollen, wann ein zugeführtes Signal einen vorbestimmten Grenzwert überschritten
hat.
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Ein besonderes Problem bei der Prüfung von Eingangssignalen in bezug
auf Grenzen besteht darin, daß mehrere verschiedene Signale und natürlich obere
und untere Grenzen vorhanden sein können. Eine Prüfung wurde bisher sowohl auf analoge
als auch auf digitale Weise durchgeführt. Bei einem typischen Analogverfahren werden
die verschiedenen Grenzsignale für Vergleichszwecke durch eine Gruppe von Potentiometem
erzeugt, die von einer gemeinsamen Bezugsspannungsquelle gespeist werden. Der Vergleich
zwischen den Eingangssignalen und den entsprechenden Grenzsignalen wird in Vergleichsverstärkern
durchgeführt, die jeweils für die verschiedenen Grenzen vorgesehen sind, oder der
Vergleich findet in einem gemeinsamen Vergleichsverstärker statt. Eine gemeinsame
Anordnung muß dabei eine Vergleichseinrichtung für die obere Grenzprüfung und eine
zweite für die untere Grenzprüfung aufweisen. Die Genauigkeit hängt dabei von der
Stabilität der Bezugsquelle ab und außerdem von den die Potentiometerwindungen bildenden
Präzisionswiderständen wie auch von den notwendigen Analogschaltern.
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`Die gebräuchlichen bekannten Digital-Methoden erfordern eine Grenzeinstellungseinheit,
wie beispielsweise eine Gruppe von von Hand betätigten Schaltern, eine Stöpselbrettanordnung,
eine Gruppe von Speichern od. dgl., durch die die verschiedenen Grenzen in digitaler
Form eingestellt werden können. Jedes Eingangssignal in digitaler Form und das entsprechende
Grenzsignal werden in eine digitale Vergleichseinrichtung eingegeben, und zwar entweder
in Serie oder parallel. Gewöhnlich ist nur eine geteilte Vergleichseinrichtung und
eine zugehörige Gatterschaltung vorgesehen, obwohl auch getrennte Vergleichseinrichtungen
für die oberen und unteren Grenzen zur gleichzeitigen Prüfung beider Grenzwerte
vorhanden sein können. Die Genauigkeit des digitalen Systems hängt lediglich von
der Zahl der verwendeten Zeichen ab. Werden jedoch die digitalen Eingangssignale
von einer Analog-Quelle über einen Analog-Digital-Umsetzer gewonnen, so ist die
Genauigkeit durch die dieses Umsetzers begrenzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Grenzprüfeinrichtung
für eine große Zahl von Analog-Signalen zu schaffen, die die gleiche Gesamtgenauigkeit
wie die zuletzt beschriebene bekannte Anordnung aufweist, die jedoch weniger aufwendig
und teuer und beträchtlich schneller im Betrieb ist.
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Die Erfindung besteht darin, daß eine Einstellvorrichtung vorgesehen
ist, durch die der Digitalspeicher des AnaIog-Digital-Umsetzers auf einen oder mehrere
vorbestimmte Grenzwerte einstellbar ist, und daß zu einem Zeitpunkt, bei dem keine
Abgleichschritte vorgenommen werden, der bzw. die am Speicher eingestellten Grenzwerte
durch die Vergleichseinrichtung mit der Meßgröße verglichen werden, wobei festgestellt
wird, ob der Meßwert größer, gleich oder kleiner als der bzw. die eingestellten
Grenzwerte ist.
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Gemäß der Erfindung ist also der Analog-Digital-Umsetzer selbst zur
Durchführung des Grenzvergleichs eingerichtet. Der Umsetzer enthält einen Digital-Speicher,
dessen Ausgangssignal in ein Analog-Signal umgewandelt wird, das dann in einen Vergleichsverstärker
eingegeben und dort in seiner Größe mit dem analogen Eingangssignal verglichen wird.
Das sich ergebende Differenzsignal dient in einer Steuerschaltung zur Einstellung
der digitalen Zählung in dem Speicher mittels aufeinanderfolgender Beträge, bis
am Ende der Folge von Vergleichsschritten die beiden verglichenen Analog-Signale
innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen gleich sind. Zur Prüfung gegenüber Grenzen
dienen Signale von einer Einheit zur Grenzeinstellung. Die Signale gelangen an den
Speicher, wenn die alternierenden Eingangssignale wirksam und die zuvor genannte
Steuerschaltung unwirksam ist. Die digitale »Zahl« oder »Zählung« in dem Speicher
ist dann der Digitalwert der ausgewählten Grenze. Dieser Wert wird wie zuvor in
ein Analog-Signal umgesetzt und zum Vergleich mit dem analogen Eingangssignal in
den Vergleichsverstärker eingespeist. Das Ausgangssignal des Verstärkers, dessen
Vorzeichen durch das Vorzeichen der Differenz der Eingangssignale bestimmt ist,
zeigt dann an, ob das analoge Ein-Crangssignal ober- oder unterhalb des Grenzwertes
liegt.
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An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
soll die Erfindung näher erläutert werden.
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F i g. 1 ist ein Blockschaltbild eines Analog-Digital-Umsetzers
mit fortlaufender Annäherung, bei dem die Technik gemäß der Erfindung Anwendung
finden kann; F i g. 2 zeigt einen Umsetzer gemäß F i g. 1, bei dem
die Erfindung angewendet ist.
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In F i g. 1 weist ein Digital-Speicher 11 eine Folge
paralleler bistabiler Stufen, z. B. Flip-Flops, auf, die jeweils für sich durch
Signale einer Steuerschaltung 12 auf Leitungen 13 hin- und zurückgekippt
werden. Auf Leitungen 14 erscheint aus den Speicherstufen ein paralleles digitales
Ausgangssignal, das außerdem zur Steuerung einer Folge von Präzisionsschaltem
15 verwendet wird. Eine digitale »0« oder »l« erscheint auf
jeder Leitung 14 entsprechend der Kipplage der zugehörigen bistabilen Speicherstufen,
und eine Änderung der Kipplage irgendeiner Stufe bewirkt ein Schalten eines bestimmten
Schalters 15,
der an den Ausgang dieser Stufe angeschlossen ist.
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Jeder Schalter steuert den Fluß eines genau bemessenen Stromes aus
einer Speisequelle 16, deren Spannung auf einem stabilen Bezugswert gehalten
ist, über einen jeweiligen Widerstand 17 zu einer gemeinsamen Leitung
18, die den Gesamtwert der Stromwerte von allen Schaltern 15 dem Eingang
eines Vergleichsverstärkers 19 zuführt. Dieser Vergleichsverstärker ist ein
einfacher Gleichspannungsverstärker hoher Verstärkung, der an seinem Eingang außerdem
ein
Analog-Signal über eine Klemme 20 und einen Widerstand 21 erhält. Das Ausgangssignal
des Vergleichsverstärkers 19 gelangt über eine Leitung 22 zu der Steuerschaltung
12.
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Die einzelnen durch die Schalter 15 geschalteten Ströme werden
entsprechend dem verwandten Digital-Kode bemessen; z. B. würde für einen reinen
Binär-Kode der größte Strom äquivalent sein der Hälfte des vollen Bereichs, der
nächste einem Viertel, dann einem Achtel usw. Der Vergleichsverstärker
19
dient zur Feststellung, wann der von der analogen Eingangsspannung an Klemme
20 über den Widerstand 21 abgeleitete Strom gleich und entgegengesetzt ist dem Gesamtstrom
von den Schaltern 15 über die Widerstände 17. Bewirkt die analoge
Eingangsspannung einen Strom, dessen Wert größer ist als der Bezugsstrom, der von
den Schaltern 15 abgeleitet ist, so ist der Verstärker 19 ausgesteuert,
und er erzeugt ein Ausgangssignal, das einer logischen »l«
entspricht. Er
erzeugt eine »0«, wenn der Bezugsstrom größer als der Eingangsstrom ist.
Das Ausgangssignal ist unbestimmt oder genullt, wenn die Eingangssignale gleich
sind.
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Bei der Umsetzung bewirkt ein an einen Eingang 23 der Steuerschaltu#ng
12 gelegter Startimpuls, daß der Speicher frei gemacht und die Schaltfolge angestoßen
wird. Der Schalter 15, der dem Zeichen mit dem größten Wert entspricht, wird
zuerst geschlossen, und ein Vergleich mit dem Eingangsstrom wird durchgeführt. Ist
das Ergebnis des Vergleichs eine » 1 « auf Leitung 22, wenn z. B. der Eingangsstrom
größer als der Bezugsstrom ist, so bleibt der Schalter geschlossen. Ist das Ergebnis
eine »0«, so wird der Schalter wieder geöffnet. Dann wird der nächst niedrigere
Strom eingeschaltet und der Vergleichsvorgang wiederholt usw. durch alle Schalter
hindurch. Nachdem alle Zeichen durchprobiert sind, enthält der Speicher
11 das digitale Äquivalent des analogen Eingangssignals, wobei die inhaltliche
Genauigkeit durch die Zahl von verwendeten Zeichen bestimmt ist. Ein Signal »Ausgangssignal
bereit« erscheint dann auf einer Leitung 24.
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Zur Verwendung als Außerbereichsvergleichseinrichtung wird die Schaltung
gemäß F i g. 2 abgeändert. Die zu verhindernden Grenzwerte werden in digitaler
Form einer Gruppe von Leitungen 25 von einer nicht dargestellten Generatoreinheit
zur Erzeugung eines Grenzsignals oder einer Rechenanlage zugeführt. Die Leitungen
13 für das Eingangssteuersignal von der Steuerschaltung 12 zu den Speicherstufen
werden nun über ODER-Gatter 26 zugeführt. die außerdem an ihren Eingängen
von Leitungen 27
Grenzsignalzeichen erhalten. Zwischen den Leitungen
25 und 27 ist eine Grenzgatterschaltung 28 vorgesehen.
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Soll eine Grenzprüfung durchgeführt werden, so erscheint ein Signal
»Grenzprüfung erwünscht« auf einer'# Leitung 29. Dieses Signal verhindert
die Wirkung der Kontrollschaltung 12, macht den Speicher 11 frei und öffnet
die Gatterschaltungen 28,
so daß das ausgewählte digitale Grenzsignal in dem
Speicher erscheint. Die Präzisionsschalter 15 werden dann entsprechend dem
Kippzustand der verschiedenen Speicherstufen eingestellt, so daß die Summe der Bezugswerte
an dem Eingang des Vergleichsverstärkers 19 ebenfalls ein Maß für die ausgewählte
Grenze ist. Infolgedessen gibt das Vorzeichen des Verstärkerausgangssignals an,
ob das analoge Eingangssignal an Klemme 20 oberhalb oder unterhalb der Grenze liegt.
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An den Ausgang des Verstärkers ist vorzugsweise eine bistabile, nicht
dargestellte Speicherstufe angeschlossen, und zwar durch gleichzeitiges Anlegen
eines Gatterimpulses. Wenn erst einmal die bistabile Speicherstufe hin- oder zurückgekippt
worden ist, so bleibt sie in diesem gleichen Kippzustand, bis sie infolge Zuführung
des Ergebnisses des nächsten Grenzvergleichs zurückgestellt oder gelöscht wird.
Inzwischen eintretende Änderungen des analogen Eingangssignals beeinflussen nicht
das Signal auf der Leitung 30. In gleicher Weise verhindert während der normalen
Analog-Pigital-Umsetzung die bistabile Speicherstufe, daß eine Änderung des analogen
Ausgangssignals zu einer Änderung des Signals auf der Leitung 30 zwischen
jedem Zeichenvergleich führt.
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Im Vergleich zu bisher üblichen digitalen Außerbereichsvergleichseinrichtungen,
die sowohl Analog-Digital-Umsetzer als auch Vergleichseinrichtungen verwendeten,
ist bei der Technik gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer digitalen
Vergleichseinrichtung vollkommen überflüssig, und es wird lediglich der Umsetzer
benutzt. Dadurch wird die Schaltung wesentlich vereinfacht und verbilligt, und außerdem
ergibt sich eine große Verbesserung in der Arbeitsgeschwindigkeit. Bei dem bisherigen
Verfahren ist die erforderliche Zeit die, die zur Durchführung einer Umsetzung nötig
ist, plus der Einstell-und Ablesezeit der digitalen Vergleichseinrichtung. Diese
Zeit ist zu vergleichen mit der Zeit, die erforderlich ist, um das Digital-Grenz-Signal
in den Speicher des Analog-Digital-Umsetzers einzugeben, plus der Zeit für einen
Analogvergleich. Dies gilt für das neue System. Die Eingabezeit in den Speicher
des Analog-Digital-Umsetzers ist gleich der Zeit, die zur Einstellung der digitalen
Vergleichseinrichtung erforderlich ist, und die einfache Analog-Vergleichszeit ist
gleich nur einem Zwischenvergleich während der Umsetzung. Bei einem typischen System
mit zwölf Zeichen ergibt sich somit bei einem Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit im Verhältnis 12: 1.