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"Elektrischer Analog-Digital-Umsetzer mit einer Schaltimpulse liefernden
Steuereinrichtung" Die Erfindung betrifft einen elektrischen Analog-Digital-Umsetzer
mit einer Schaltimpulse liefernden Steuereinrichtung, der eine zu messende Spannung
in eine Polige von binären Signalen umsetzt und die zu messende Spannung mit einer
bekannten Spannung vergleicht, wobei ein "O"-Signal am Ausgang erscheint, wenn die
zu messende Spannung kleiner als die bekannte Spannung ist und ein "L"-Signal am
Ausgang erscheint, wenn die zu messende Spannung größer als die bekannte Spannung
ist und jeder Binärziffer ein Steuertakt zugeordnet ist.
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Ein derartiger Analog-Digital-Umsetzer ist aus der deutschen Auslegeschrift
1.283.367 bekannt. Bei diesem Analog-Digital-Umsetzer wird die zu messende Spannung
zum Beginn des ersten Steuertakts mit einer konstanten Normalspannung verglichen.
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Ist die zu messende Spannung größer als die Normalspannung,
so
wird die zu messende Spannung um den Betrag der Normal; spannung verringert und
die Restspannung vervielfacht. Ist die zu messende Spannung jedoch kleiner als die
Normalspannung, so wird die zu messende Spannung-unverändert vervielfacht. Die vervielfachte
Spannung wird im nächsten Steuertakt mit derselben Normalspannung wie im ersten
Steuertakt verglichen und, wenn sie größer als die Normalspannung ist, um diese
verringert und anschließend die Restspannung vervielfacht; wenn sie jedoch kleiner
als die Normalspannung ist, sofort vervielfacht. Dieser Vergleichsvorgang mit anschließender
Vervielfachung des Restbetrages, der kleiner als die Normalspannung ist, wird so
oft wiederholt, bis eine vorgewählte binäre Stellenzahl der digitalen Ausgangsgröße
erreicht ist.
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Dieser bekannte Analog-Digital-Umsetzer hat den Nachteil, daß zusätzlich
zu der Normalspannungsquelle für den Vergleich von Normalspannung und zu messender
Spannung für die darauf folgende Bildung der Differenz zwischen der Meßspannung
und der Normalspannung eine Konstantstromquelle benötigt wird, die so abgeglichen
werden muß, daß der von ihr gelieferte Strom ein Maß für die von der Normalspannungsquelle
gelieferte Spannung ist. Durch die zusätzliche Stromquelle, an welche hohe Anforderungen
zu stellen sind, tritt eine zusätzliche Fehlermöglichkeit auf.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die nachteile des bekannten Analog-Digital-Umsetzers
zu vermeiden und einen einfacher aufgebauten Analog-Digital-Umsetzer zu schaffen.
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Die Erfindung geht dazu aus von einem elektrischen Analog-Digital-Umsetzer
mit einer Schaltimpulse liefernden Steuereinrichtung, der eine zu messende Spannung
in eine Folge von binären Signalen umsetzt und die zu messende Spannung mit einer
bekannten Spannung vergleicht, wobei ein "O"-Signal am Ausgang erscheint, wenn die
zu messende Spannung kleiner als die bekannte Spannung ist, und ein L"-Signal am
Ausgang erscheint, wenn die zu messende Spannung größer als die bekannte Spannung
ist und jeder Einärziffer ein Steuertakt zugeordnet ist und besteht darin, daß die
als Vergleichsspannung dienende bekannte Spannung aus der Summe zweier Einzelspannungen
besteht, von denen die eine sich in jedem Steuertakt um die Hälfte verringert und
die andere sich nur beim Auftreten eines "Lt'-Signals um den Betrag der dem jeweiligen
Steuertakt entsprechenden ersten Einzelspannung erhöht' und während eines Steuertaktes
zuerst der Vergleich der bekannten Spannung mit der zu messenden Spannung, anschließend
beim Auftreten eines^"L"-Signals eine Erhöhung der zweiten Einzel spannung und danach
die Halbierung der ersten Einzelspannung stattfindet. In weiterer Ausbildung der
Erfindung sind zum Halbieren der ersten Einzelspannung zwei Kondensatoren derselben
Kapazität über einen Umschalter so verbunden,
daß in der einen Schalterstellung
die Kondensatoren parallel geschaltet sind und in der anderen Schalterstellung sich
der eine Kondensator entlädt. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Erhöhung
der zweiten Einzel spannung ein Integrator vorgesehen, dessen Eingang beim Auftreten
eines "L"-Signals für einen definierten Zeitraum auf das Potential der dem jeweiligen
Steuertakt entsprechenden ersten Einzelspannung geschaltet ist. In einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung ist der Eingang eines von zwei gleichartigen Analogspeichern
über einen Umschalter mit der bekannten Spannung verbunden und die Ausgangsgröße
des anderen Analogspeichers die zweite Einzelspannung und der Umschalter kippt dabei
bei jedem "L"-Signal in die andere Lage.
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An Hand der Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 das Schaltbild eines Analog-Digital-Umsetzers nach
der Erfindung, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf verschiedener für den Betrieb des Analog-Digital-Umsetzers
nach Pig. 1 wesentlicher Signale, Fig. 3 das Schaltbild eines anderen Analog-Digital-Umsetzers
nach der Erfindung und Fig. 4 den zeitlichen Verlauf verschiedener für den Betrieb
des Analog-Digital-Umsetzers nach Pig. 3 wesentlicher Signale.
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Pig. 1 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
In der ischstelle 1 wird von einer zu messenden Spannung Ue eine bekannte Spannung
Uv abgezogen. Die Ausgangsgröße der Mischstelle 1 ist die Eingangsgröße eines Zweipunktschalters
2, dessen Ausgangssignal z1 die Werte 0" bzw. tLll annehmen kann. Über den Kontakt
3, den das Relais 4 betätigt, wird das Signal z1 dem Binärspeicher 5 zugeführt.
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Die Ausgangsgröße z2 des Binärspeichers 5- wird über den Kontakt 6,
den das Relais 7 betätigt, einerseits dem Schieberegister 8 und andererseits dem
Relais 9 zugeführt. Ist der Kontakt 6 geschlossen und hat das Ausgangssignal z2
den Wert "L", so zieht das Relais 9 an und schließt dadurch den Kontakt 10.
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Die Spannung U1, auf die ein Kondensator 11 aufgeladen ist, wird einem
als Impedanzwandler arbeitenden Verstärker 12 mit dem Verstärkungsfaktor V = 1 zugeführt,
wodurch dessen Ausgangsspannung ebenfalls U1 ist. Die Mischstelle 13 bildet die
bekannte Spannung Uv aus der Spannung U1 und einer Spannung U2, die am Ausgang des
Integrators 14 ansteht.~ Der Eingang des Integrators 14 wird über den Kontakt 10
an die Spannung U1 gelegt.
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Pür den Betrieb des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzers wird
cine Einrichtung benötigt, welche eine vorgegebene Spannung schrittweise um die
Hälfte verringert. Eine derartige Einrichtung besteht aus den Kondensatoren Tl,
20 und 21, den
Widerständen 17 und 22 sowie den Relais 15 und -18
mit den zugehörigen Umschaltkontakten 16 bzw. 19. Zum Beginn jedes Umsetzvorganges,
der jeweils aus einem Startschritt und mehreren Steuertakten besteht, wird das Relais
15 durch das Steuersignal A erregt und der Umschaltkontakt 16 in die gestrichelt
gezeichnete Stellung gebracht. In dieser Stellung lädt sich der Kondensator 11 über
den Widerstand 17 auf die Normalspannung UO auf. Der Betrag der Spannung UO muß
mindestens halb so groß wie der maximale Jert der zu messenden Spannung Ue sein.
Nach dem Aufladen des Kondensators 11 auf die Spannung U1 = UO fällt das Relais
15 ab und der Kontakt 16 nimmt die ausgezogen gezeichnete Stellung ein. Ist das
Relais 1-8 nicht erregt, so befindet sich der Kontakt 19 in der ausgezogen gezeichneten
Stellung und die parallel geschalteten Kondensatoren 20 und 21 entladen sich über
den Widerstand 22. Ist das Relais 18 dagegen durch das Steuersignal D erregt, so
befindet sich der Kontakt 19 in der gestrichelt gezeichneten Stellung und die Ladung
des Kondensators 11 verteilt sich (unter der Voraussetzung, daß der Kontakt 16 die
ausgezogen gezeichnete Stellung einnimmt) gleichmäßig auf den Kondensator 11 und
die Parallelschaltung der Kondensatoren 20 und 21 auf, wenn die Kapazität des Kondensators
11 einerseits und der Parallelschaltung der Kondensatoren 20 und 21 andererseits
gleichgroß ist. Der Trimmkondensator 21 dient dazu, die Kapazität des Kondensators
20 an die das Kondensators 11
anzugleichen. Fällt das Relais 18
wieder ab, so nimmt der Kontakt 19 die ausgezogen gezeichnete Stellung ein und die
Kondensatoren 20 und 21 entladen sich. Mit der obenbeschriebenen Halbierung der
Ladung auf dem Kondensator 11 hat. sich gleichzeitig die Spannung U1 um die Uo Hälfte
auf 2 verringert. Durch weitere Betätigung des Kontaktes 19 ist eine schrittweise
Halbierung der Spannung U1 möglich.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 ist an Hand der Figuren
1 und 2 beschrieben. In der Fig. 2 sind die zu messende Spannung Ue> die bekannte
Spannung Uv sowie die beiden Einzel spannungen U1 und U2 über der Zeit t aufgetragen.
Weiterhin sind die Steuersignale A, B, a und D zur Betätigung der Relais 15, 4,
7 und 18 sowie das Ausgangssignal z1 des Zweipunktschalters 2, das Ausgangssignal
z2 des Binärspeichers 5 sowie das Ausgangssignal z3 des Analog-Digital-Umsetzers
über der Zeit t aufgetragen. Der Ulqsetzvorgang der zu messenden Spannung beginnt
mit dem als Startschritt dienenden Steuersignal A. Durch dieses Steuersignal wird,
wie bereits beschrieben, der Kondensator 11 auf die Normalspannung Uo aufgeladen.
Gleichzeitig werden der Binärspeicher 5, das Schieberegister 8 sowie der Integrator
14 gelöscht. Der Widerstand 17 ist so bemessen, daß der Kondensator 11 sich innerhalb
der Dauer des Steuerimpulses A vollständig aufladen kann. Am Ende des Steuerimpulses
A hat die bekannte
Spannung Uv den Wert Uv = U1 + U2 U0 + 0 = U0,
da die Spannung U2 noch Null ist. Da in der Fig. 2 die zu messende Spannung Ue größer
als die Normalspannung UO gewählt vnirde, hat das Ausgangssignal z1 den Wert "L".
Während der Dauer des Steuersignals B schließt der Kontakt 3 und das Ausgangssignal
Z2 des Binärspeichers 5 nimmt ebenfalls den Wert "L" an. Während der Dauer des Steuersignals
C schließt der Kontakt 6, das Signal Z3 nimmt den Wert "L" an und leitet ihn an
das Schieberegister 8 weiter. Gleichzeitig wird das Relais 9 erregt und der Kontakt
10 geschlossen. Der Eingang des Integrators 14 liegt jetzt auf der Spannung U1 =
UO. Die Spannung U2 steigt linear an, wobei die Anstiegsgeschviindigkeit der Spannung
ein Maß für die Höhe der Eingangs spannung U1 ist.
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Die Dauer des Steuersignals C ist so gewählt, daß sich die Ausgangsspannung
U2 des Integrators 14 um den Betrag der gerade am Integrator anliegenden Eingangs
spannung erhöht.
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Das bedeutet, daß am Ende des Steuersignals C die Spannung U2 den
Wert U und damit die Spannung Uv den Wert Uv = U1 + U2 = U0 + U0 = 2 U0 besitzt.
Während des darauf folgenden Steuersignals D nimmt der Kontakt 19 die gestrichelt
gezeichnete Stellung ein und der Kondensator 11 entlädt sich U0 nach einer e-Punktion
auf den Wert U1 = 2 . Die Kondensanach einer Ul 2 Die Kondensatoren 11, 20 und 21
sowie der Widerstand 22 sind so dimensioniert, daß am Ende des Steuersignals D die
Spannung U1 des Kondensators 11 auf die Hälfte abgesunken ist. Mit dci Steuersignal
D ist der erste Steuertakt beendet und es beginnt der zweite Steuertakt mit dem
Steuersignal B. Die bekannte
Spannung ist auf den Wert UV = U1
+ U2 = U0 + U0 = 3 2 abgesunken und sei damit größer als die zu messende Spannung
Ue. Das Ausgangssignal z1 hat den Wert "0", beim Schließen des Kontaktes 3 wird
in den Binärspeicher 5 der Wert "0" eingespeichert. Das Signal z2 hat ebenfalls
den ert "0", mit dem Schließen des Kontaktes 6 wird eine Null in das Schieberegister
8 eingespeichert, jedoch das Relais 9 nicht erregt. Da der Kontakt 10 nicht geschlossen
wird, behält die Ausgangsspannung des Integrators 14 ihren Wert U2 = U0 bei.
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Während -des Steuersignals D wird die über dem Kondensator 11 U liegende
Spannung U1 = 2° - wie bereits oben beschrieben -1 U auf den Wert U1 = 1 (U0) =
U0 verringert. Damit ist der 2 2 4 zweite Steuertakt beendet. Zum Beginn des dritten
Steuertakts hat die bekannte Spannung Uv den Wert U Dieser Wert sei kleiner als
Uv= Ul + U2 = U0 + 0 4 0' der Wert der zu messenden Spannung U0. Das Ausgangs signal
z1 des Zweipunktschalters 2 nimmt deshalb den Wert "L" an. Dieser Wert wird bei
geschlossenem Kontakt 3 in den Binärspeicher 5 eingespeichert und das Ausgangs signal
z2 nimmt ebenfalls den Wert "L" an. Während des Steuerimpulses o wird der Wert "L"
in das Schieberegister 8 eingespeichert und gleichzeitig das Relais 9 erregt und
damit der Kontakt 10 geschlossen. Der Eingang des Integrators 14 liegt jetzt auf
U U0 der Spannung U1 = 4 und die Ausgangsspannung U2 des Integrators 14 erhöht sich
bis zum Ende des Steuersignals C auf den Wert U2 = U0 + U0 = 5 U0. Damit hat die
Spannung Uv
U0 den Wert Uv = U1 + U2 = 4 + = 4 = 2 U0 erreicht.
Während der Dauer des Steuersignals D wird jedoch die über dem Kon-U0 densator 11
liegende Spannung U1 = U0 wieder um die Hälfte, 4 auf 8 verringert. Dadurch ist
zum Beginn des vierten Steuertakts mit dem Steuersignal B die bekannte Spannung
Uv auf den Wert Uv = U1 + U2 = U0 + 5 U0 + 11 U0 abgesunken.
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In dem Ausführungsbeispiel sei die zu messende Spannung U e kleiner
als dieser Wert. Das Ausgangssignal Z1 des Zweipunktschalters 2 nimmt deshalb den
Wert 11011 an. Die weiteren Signalverläufe ergeben sich sinngemäß. Je größer die
Zahl der Steuertakte ist, desto genauer wird die zu messende Spannung in eine binäre
Zahl umgesetzt. Jeder Steuertakt besteht aus einem Vergleichsvorgang (Steuersignal
B), einem Zeitraum, in dem die Spannung U2 erhöht wird (Steuersignal O) sowie einem
Zeitraum, in dem der Kondensator 11 zur Hälfte entladen wird (Steuersignal D). Ein
Umsetzvorgang besteht aus dem Startschritt (Steuersignal A), an das sich eine vorbestimmte
Anzahl von Steuertakten, jeweils aus den Steuersignalen B, C und D bestehend, anschließt.
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Die Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In
dieser Schaltung ist der Integrator 14 durch zwei Analogspeicher 24 und 25 ersetzt,
von denen jeweils einer mit seinem Eingang an die bekannte Spannung Uv, angeschlossen
ist und der andere die Spannung U2 abgibt. Bauelemente, die mit
denen
der Fig. 1 übereinstimreen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Wirkungsweise
der Schaltung nach Fig. 3 ist an Hand der Figuren 3 und 4 erläutert. Die Fig. 4
stimmt im wesentlichen Init der Fig. 2 überein. Da jedoch die Spannung U2 auf andere
Art als in der Schaltung nach Pig. 1 erzeugt wird, ändern sich mit dem Verlauf der
Spannung U2 auch der Verlauf von Uv sowie das Ausgangssignal z1 des Zweipunktschalters
2.
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Während des Startschritts (Steuersignal A) wird der Kondensator 11
auf die Spannung U1 = UO aufgeladen und der Binärspeicher 5, das Schieberegister
8 sowie die Analogspeicher 24 und 25 gelöscht. Die Umschaltkontakte 26 und 27 befinden
sich in der ausgezogen gezeichneten Stellung. Die Spannung U2 hat den Wert Null,
die Spannung U1 den Wert UO. Die bekannte Spannung Uv ist mit dem Wert U0 kleiner
als die zu messende Spannung Ue. Daraus folgt für das Ausgangssignal des Zweipunktschalters
2: Z1 = "L" Nach dem Schließen des Kontakts 3 gilt für das Ausgangssignal des Binärspeichers
5: Z2 "L". Nach dem Schließen des Kontakts 6 gilt: z3 = Dieser Wert wird in das
Schieberegister 8 eingespeichert und gleichzeitig auf den Eingang des Binärzählers
23 geschaltet, der bei jedem "L"-Signal sein Ausgangssignal wechselt. In diesem
Ausführungsbeispiel wechselt mit dem "L"-Signal das Ausgangs signal des Binärzählers
23 von "0" auf "L", damit zieht das Relais 9 an und bringt die Kontakte
26
und 27 in die gestrichelt gezeichnete Stellung. Die Spannung U2 ist die Ausgangsspannung
des Analogspeichers 24 (u2 = U0) Während des Steuerimpulses D entlädt sich der Kondensator
11 - wie bereits oben beschrieben - auf den U0 Wert U1 = 2° Da in dem Beispiel nach
Fig. 4 derselbe Wert der zu messenden Spannung Ue wie in Fig. 2 gewählt vmrde, ist
nach dem Schließen der Kontakte 3 und 6 das Signal z3 = "0". Diese Null wird in
dem Schieberegister 8 gespeichert, sie vermag jedoch nicht den Binärzähler 23 umzukippen,
deswegen bleibt auch das Relais 9 erregt und damit die Kontakte 26 und 27 in der
gestrichelt gezeichneten Stellung. Die Spannung U2 behält ihren Wert UO. Während
des Signals D entlädt sich der Kondensator U1 auf die Span-U nung 4 1 und die Spannung
Uv hat jetzt den Wert U Uv = U1 + U2 = U0 + U0 = 5 U0. Dieser Wert sei jedoch kleiner
4 als die zu messende Spannung Ue und nach dem Schließen der Kontakte 3 und 6 ist
das Signal Z3 = "L". Dieser Wert wird in das Schieberegister 8 eingespeichert. Außerdem
wird der Binärzähler 23 in die andere Stellung gekippt, das Relais 9 fällt ab und
die Kontakte 26 und 27 nehmen die ausgezogen gezeichnete Stellung ein. Da der Analogspeicher
25 während des vorhergehenden Steuertaktes auf die Spannung Uv = 5 U0 4 aufgeladen
wurde, hat nunmehr die Spannung U2 den Wert 5 U0 4 Während des Steuersignals D entlädt
sich der Kondensator auf die Spannung U0 Zu Beginn des dritten Steuertaktes ist
die Uo 11 bekannte Spannung Uv = U1 + U2 = 8 + 4 U0 = 8 U0 und somit 4
größer
als die zu messende Spannung. Die weitere Umsetzung der zu messenden Spannung2 in
eine digitale Ausgangsgröße erfolgt sinngemäß mit jedem weiteren Steuertakt, bis
ein erneuter Startimpuls einen neuen Umsetzvorgang einleitet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzer ist gegenüber bekannten
Umsetzern nur eine einzige Normalspannungsquelle UO erforderlich. Die Schaltung
zur Halbierung der Normalspannung ist einfacher aufgebaut als die bei dem bekannten
Analog-Digital-Umsetzer zur Vervielfachung der Restspannung vorgesehene Schaltung.