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Analog-Digitalumsetzer nach dem Regelkreisverfahren Analog-Digitalumsetzer
dienen zum Umsetzen von der analogen in die digitale Darstellung eines Meßwertes.
Im Gegensatz zu der analogen Darstellung, bei der innerhalb des Meßbereiches unendlich
viele Meßwerte angezeigt werden können, kann bei der digitalen Darstellung nur eine
endliche Anzahl von Meßwerten innerhalb des Meßbereiches angezeigt werden. Der digitale
Meßwert ist eine dimensionslose Zahl, deren einzelne Ziffern eine festgelegte Stellenbedeutung
haben. Dadurch wird der der Zahl zugrunde liegende Code Träger der Information.
Die Umsetzung vom Analogen ins Digitale bedingt zwei Vorgänge, nämlich das Quantisieren
und das Codieren. Beim Quantisieren wird der Meßbereich in eine endliche Anzahl
meist gleicher Teilbereiche unterteilt. Beim Codieren wird die dem Meßwert entsprechende
Zahl der Teilbereiche in einem bestimmten Zahlensystem dargestellt. In dem Buch
von Oppelt "Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge
", 1964,
werden die Analog-Digitalumsetzer in vier Hauptgruppen eingeteilt: Wegumsetzer,
Zeitbasisumsetzer, Umsetzer, die einen Regelkreis benutzen und Umsetzer nach dem
Wägeverfahren.
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Die Erfindung betrifft einen Analog-Digitalumsetzer nach dem Regelkreisverfahren,
auch Analog-Digitalumsetzer nach dem Kompensationsprinzip genannt. Diese Umsetzer
beruhen auf der bekannten Tatsache, daß im Rüekführkreis eines Re.-gelkreises das
umgekehrte Verhalten vorliegt, wie vom Eingang zum Ausgang des gesamten Regelkreises.
Aufgrund dieser Tatsache erhält man einen Analog-Digitalumsetzer, wenn man einen
einfach zu bauenden Digital -Analogumsetzer als Rückführung verwendet.
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Solche Digital-Analogumsetzer dienen zum Umsetzen einer Zahl in eine
dimensionsbehaftete Größe. Bei der Umsetzung wird die Quantisierung beibehalten,
d.h.. das analoge Ausgangssignal eines Digital-Analogumsetzers kann ebenso wie der
digitale Eingangswert nur eine endliche Anzahl von Werten annehmen. Eine der wichtigsten
Methoden zur Umsetzung von Zahlen in elektrische Größen ist das Schalten von Widerständen,
Strom- und Spannungsquellen. Das Sehalten kann mit Kontakten, aber auch mit elektronischen
Mitteln erfolgen. Der einfachste bekannte Digital-Analogumset$eri ist ein
schaltbarer.Spannungsteiler
(Steinbuch: "Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung"). Bei ihnen wird eine Referenzspannung
an eine Reihenschaltung aus einzelnen Widerständen gelegt. Diese Widerstände sind
durch Schalter überbrückt, die von dem digitalen Eingangswert so gesteuert werden,
daß von den den Spannungsteiler bildenden Widerständen diejenige Spannung abgegriffen
wird, die dem digitalen Eingangswert zugeordnet ist. Bei der Darstellung eines Digital-Analogumsetzers
in einem Blockschaltbild wird gewöhnlich nur der Eingang für den Digitalwert und
der Ausgang für das Analogsignal gezeichnet. Der Eingang für das Referenzsignal
wird unter der stillschweigenden Voraussetzung, daß das Referenzsignal konstant
ist, fortgelassen.
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Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Analog-Digitalumsetzers nach dem Regelkreisverfahren
an einem bewußt einfachen gewählten Beispiel der Umsetzung einer Spannung UX in
eine Zahl z. Der Spannung UX wird die Kompensationsspannung Uk entgegengeschaltet.
Die Spannungsdifferenz betätigt ein polarisiertes Relais 1, das in Abhängigkeit
von den Vorzeichen der Spannungsdifferenz einen von zwei Impulsgeneratoren 2, 3
an den Eingang des Zählers 4 schaltet. Ist die Differenz UX - Uk größer als Null,
zählt der Zähler 4 vorwärts, ist die Differenz UX - Uk kleiner als Null, zählt der
Zähler 4 rückwärts. Wenn U, = Uk ist, werden dem Zähler keine Impulse zugeführt,
er speichert dann den letzten Wert so lange,
bis seinem Eingang
neue Zählimpulse zugeführt werden. Der Ausgangswert des Zählers 4 ist eine dimensionslose
Zahl z. Diese Zahl wird einem Digital-Analogumsetzer 5 in der Axt eines schaltbaren
Spannungsteilers als Steuergröße zugeführt. Eine Referenzspannung Url, die an die
Klemmen 6 und 7 gelegt ist, speist eine Reihenschaltung von Widerständen, die so
abgestuft sind, daß durch Addition der Spannungsabfälle an einzelnen Widerständen
jeder möglichen Zahl z eine proportionale Spannung Uk = z . Url zugeordnet ist.
Daraus ist ersichtlich, daß die Kompensationsschaltung Uk nicht größer als die Referenzspannung
Url werden kann. Die Spannung U, darf deshalb nur Werte zwischen Null und Ur, annehmen.
Eine Ausgabeeinheit 8 multipliziert die sich stufenweise ändernde dimensionslose
Zahl z mit einem Maßstabs- und einem Dimensionsfaktor.
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Es gibt Meßverfahren, z.B. die Durchflußmessung, bei denen die Istwerte
nicht direkt gemessen werden, sondern aus Hilfsgrößen bestimmt werden. Bei dem angeführten
Beispiel der Durchflußmessung wird der an einer Blende entstehende Differenzdruck
gemessen, der der Wurzel des Durchflusses proportional ist. Um eine lineare Anzeige
für den Durchfluß zu erhalten, muß die Wurzel aus dem Differenzdruck gebildet werden.
Das ist mit den bekannten Analog-Digitalumsetzern nicht möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wurzelhildang zusamm?n
mit der Analog-Digitalumsetzung in einem einzigen
Regelkreis zu
ermöglichen.
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Die Erfindung geht aus von einem Analog-Digitalumsetzer nach dem Regelkreisverfahren,
bei dem der digitale Ausgangswert über einen Digital-Analogumsetzer mit dem analogen
Eingangssignal verglichen wird, und die Differenz eine den Digitalwert erzeugende
Einrichtung steuert. Die Erfindung besteht darin, daß zur Erzeugung einer quadratischen
Abhängigkeit zwischen Analogsignal und Digitalwert ein dem Digital-Analogumsetzer
zugeführtes Referenzsignal für die Ableitung des Analogsignals von einem zweiten
Digital-Analogumsetzer erzeugt ist, dem ebenfalls der digitale Ausgangswert zugeführt
ist, und der ein festes Referenzsignal hat.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Erzeugung einer kubischen
Abhängigkeit zwischen Analogsignal und Digitalwert. ein dritter Digital-Analogumsetzer
vorgesehen, dem gleichfalls der digitale Ausgangswert zugeführt ist, wobei das Analogsignal
des dritten Digital-Analogumsetzers das Referenzsignal für den zweiten Analog-Digitalumsetzer
ist, und der dritte Analog-Digitalumsetzer ein festes Referenzsignal ist.
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Anhand der Figuren 2 und 3 werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert.
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Im einzelnen zeigt;
Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines
Analog-Digitalumsetzers nach dem Regelkreisverfahren, Fig. 2 einen Analog-Digitalumsetzer
nach der Erfindung, der " die Quadratwurzel aus dem Eingangssignal bildet, und Fig.
3 einen Digital-Analogumsetzer, der zusammen mit dem Analog-Digitalumsetzer nach
der Fig. 2 die dritte Wurzel des Eingangssignals bildet.
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Fig. 2 zeigt einen Analog-Digitalumsetzer nach"der Erfindung, der
die Quadratwurzel aus dem Eingangssignal bildet. Sie ist eine Erweiterung der Fig.
1. Gleiche Bestandteile der Figuren sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Das
polarisierte Relais 1, die beiden Impulsgeneratoren 2 und 3, sowie der Zähler 4
sind zu dem Block 9 zusammengefaßt, dessen analoge Eingangsspannung die Differenz
UX - Uk ist, und dessen digitaler Ausgangswert die Zahl z ist. Zusätzlich ist ein
Digital-Analogumsetzer 1o vorhanden, der genauso aufgebaut ist, wie der Digital-Analogumsetzer
5. Der Ausgang des Digital-Analogumsetzers 1o ist an die Klemmen 6 und 7 des Digital-Analogumsetzers
5 angeschlossen und liefert dessen - jetzt veränderliche - Referenzspannung Url:
An den Klemmen 11 und 12 liegt die konstante Referenzspannung U r2. Der Digital-Analogumsetzer
1o setzt die konstante Referenzspannung U r2 in die veränderliche Referenzspannung
Url = z . U r2 um. Der Digital-Analogumsetzer 5 setzt diese veränderliche Referenzspannung
Url in die Kompensationsspannung Uk == z . Url = z2 0 U r2 um. Nach dem Abgleich
(Uk
= Ux) ist die Zahl z der Wurzel aus dem Wert der Eingangsspannung UX proportional
wie die folgenden Gleichungen zeigen:
Die Ausgabeeinheit 8 multipliziert in bekannter Weise die dimensionslose Zahl z
mit den den Meßwerten entsprechenden Maßstabs- und Dimensionsfaktoren.
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Der Analog-Digitalumsetzer nach Fig. 2 kann wahlweise als Umsetzer
verwendet werden, bei dem die Zahl z der Wurzel aus dem Wert der Eingangsspannung
UX proportional ist und als Umsetzer, bei dem die Zahl z dem Wert der Eingangsspannung
UX selbst proportional ist. Für den zweiten Fall braucht nur die Verbindung zwischen
den Digital-Analogumsetzern 5 und 1o aufgetrennt zu werden und an die Klemmen 6
und 7 des Digital-Analogumsetzers 5 eine konstante Referenzspannung Url angelegt
zu werden.
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Die Fig. 3 zeigt einen weiteren Digital-Analogumsetzer 13, der von
der in digitaler Form vorliegenden Zahl z gesteuert wird. Legt man an die Klemmen
14 und 15 eine konstante Referenzspannung Uri, so hat die an den Klemmen 11' und
12'@ des Digital-Analogumsetzers 13 liegende Ausgangsspannung
den
Wert U r2 a z . Uri. Verbindet man die Klemmen 11` und 122 mit den Klemmen 11 und
12 des Umsetzers in Fig. 2, erhält man zwischen den Klemmen ö und 7 die Spannunk
Uri - z2 # Ur2' und. damit die Kompensationsspannung Uk = z3 . Uri. Nach dem Abgleich
(U k = Ux) ergeben sich die folgenden Beziehungen:
Die Zahl z ist also der dritten Wurzel des Wertes der Eingangsspannung Ux proportional.
Die Ausgabeeinheit 8 multipliziert in bekannter Weise die dimensionslose Zahl z
mit den den Meßwerten entsprechenden Dimensions- und Maistabsfaktoren.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dap beliebige Arten von Digital-Analogumsetzern
in der.Rückführung verwendet werden können. Dadurch tritt für die Wahl des für die
Zahl z verwendeten Codes keine Beschränkung auf.