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Verfahren und Anordnung zur Analog-Digtal-Unsetzung nach einem Spannungs-Zeitumsetzverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analog-Digital-Usetzung nach einem Spannungs-Zeitumsetzverfahren,
bei dem während einer vorgegebenen Zeit die Meßspannung einem Integrierglied zugeführt
wird, das anschließend mit einem vorgegebenen Strom entladen wird, währenddessen
Taktimpulse einem Zähler zugeführt werden. Derartige Analog-Digital-Umsetzvrfahren
sind z.B. aus den BBC-Nachrichten, Mai 1967, bekannt. Die bekannten Verfahren gestatten,
die analoge Eingangsgröße linear in einen Digitalwert urzuwandeln. liäufig tritt
jedoch das Problem auf, einen nichtlünearen Zusarmenhang zwischen den Analogwerten
und de-n Digitalwerten zu
schaffen, damit z.B. die Nichtlinearitäten
von Meßwertgebern, z.B. Thermoelementen oder Widerstandsthermometern, ausgeglichen
werden können, so daß ein linearer Zusammenhang zwischen der analogen Meßgröße (Temperatur)
und dem digitalen Meßergebnis hergestellt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit dem nahezu beliebige Nichtlinearitäten
der Umsetzungsfunktion erzeugt werden können. Ferner soll eine Maßstabsanpassung
zur zahlenrichtigen Anzeige möglich.sein. Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben
dadurch gelöst, daß der vorgegebene Entladestrom bei Erreichen bestimmter Zählwerte
derart verändert wird, daß eine nichtlineare Funktion mit Geradenstücken angenähert
wird. Ein solches Verfahren erfordert nur einen geringen Aufwand und erniedrigt
die Umsetzungsgeschwindigkeit nicht. Auch können in bekannter Weise Störwechselsrannungen
unterdrUckt werden, da dies während des ersten Verfahrensschritt geschieht.
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Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
sind, werden im folgenden die Erfindung scwie weitere Vorteile und Ergänzungen näher
beschrieben und erläutert.
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Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltung zur Durchführung
des neuen Verfahrens.
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In Figur 2 ist die Funktion der Schaltung nach Figur 1 veranschaulicht.
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Dem Jnalog-ligital-Umsetzer nach Figur 1 wird die Meßspannung 1 UM
über einen Schalter S 1 einem Integrierglied zugeführt, das im Ausfl'hrungsbeispiel
als sogenannter Hiller-Integrator mit einem Integraticnswiderstand Ri, einen Verstärker
V und einem Integrationskondensator Ci ausgebildet ist. Es können
aber
auch andersartige Integrierglieder verwendet werden; so sind z.B. auch Induktivitäten
gebräuchlich. Ist die Meßspannung UN konstant und wird der Schalter S 1 im Zeitpunkt
t0 (Figur 2) geschlossen, dann steigt die Ausgangspannung des Integriergliedes von
diesem Zeitpunkt an lincar an bis zum Zeitpunkt t1, in welchem der schalter S 1,
der z.B. ein Feldeffekttransistor sein kann, geöffnet wird. Bei Spannungs-Zeitumformern
nach dem Zweischrittverfahren ist die Aufladezeit des Integrierglides konstant,
so daß die erreichte Spannung bzw. Magnetisierung ein l;aß für die Grö-2e der Meßspannung
ist. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel wird die ladezeit dadurch bestimmt, daß
einem Zahler Z Takimpulse aus einem Taktgenerator T zugefihrt werden und der Zähler
bei Erreichen eines bestimmten Zählwertes eine Umschalteinheit US veranlaßt, den
Schalter S 1 zu öffnen und den Zähler auf Null zurücksetzen. Auf das Nullsetzen
des Zählers kann verzichtet werden, wenn im Zeitpunkt tO ein colcher Zählwert eingestellt
wird, daß der Zähler zur Zeit t1 sein Zählvolumen erreicht hat und dabei die Umschaltvorrichtung
US ansteuert. Anstelle des Zählers kenn zur Erzeugung der Badezeit auch ein gesonderter
Brequenzuntersetzer vorgesehen sein.
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Wach einer gewissen Totzeit, in welcher der Zähler Z auf Null zurückgesetzt
bzw. weitergeschaltet wird, wird von der Umsehalteinheit US zum Zeitpunkt t2 ein
Schalter S 2 geschlossen und der Zähler Z zum Zählen der Taktimpulse freigegeben.
Der Schalter S 2 schließt eine von einer Spannungsquelle UR erzeugte Referenzssannung
mit im Vergleich zur Meßspannung UM entgegengesetzter Polarität an das Integrierglied
an, so daß dieses entladen wird. Im Ausführungsbeispiel ist für die meßspannung
und für die Referenzspannung ein einziger Imtegrationswiderstand Ri vorhanden. Es
kann aber auch ggf.
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zweckmäßig sein, getrennte Ingetrationswiderstände vorzusehen.
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Der Nulldurchgang der Ausgangsspannung des Integriergliedes wird von
einem Nullverstärker NV festgestellt, der dann die Zuführung weiterer Taktimpulse
zum Zähler stoppt. Bei den bekannten Analog-Digital-Umsetzern dieser Art ist die
Referenzspannung konstant, so daß die Entladung linear verläuft und die Entladezeit,
die im Zähler als digitaler Wert gemessen wird1 proportional zur Meßspannung ist.
Die Nichtlinearitäten von Meßwertgebern können dann erst nachträglich berUcksichtigt
werden.
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Mit dem neuen Verfahren werden dagegen die Nichtlinearitäten der Meßwertgeber
unmittelbar bei der Analog-Digital-Uinsetzung ausgeglichen. Dies ist durch eine
entsprechende nichtlineare Umsetsungafunktion erreicht, die dadurch verwirklicht
wird, daß das Integrierglied nicht mit einem konstanten, sondern mit einem vom Zählerstand
abhängigen Stron entladen wird, wie es in Figur 2 in Zeitabschnitt t2 - t3 veranschaulicht
ist, Die Referenzspannungsquelle kann hierzu nach Art bekannter Digital-Analog-Umsetzer
ausgebildet sein, die mehrere Spannungequellen enthalten, welche nach einem Code,
z.B.-nach dem Dualcode, abgestuft sind. Die einzelnen eilapannungsquellen, die Strorquellen
sein können, an die ein gemeinsamer Sunimierwiderstand angeschlossen ist, werden
angesteuert, wenn der gerade erreichte Wert der Umwandlungsfunktion von der zu erstrebenden
Umwandlungsfunktion abweicht.
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Diese Umschaltpunkte können als Kombination des Schaltzustendes der
Zählerstufen digital gespeichert sein.
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Ggf. ist es nicht erforderlich, daß der Entlsdestron nach jeder Änderung
des Zählwertes umaeschaltet wird. Nach einer Ausfthrungsforn der Erfindung kann
auch der Entladestrom nach einer größeren Anzahl von Zählinpulsen geändert werden,
so daß die Umwandlungsfunktion durch größere Geradenstücke angenähert wird. Je nach
der Krümmung der Umwandlungsfunktion kann die Anzahl der Impulse, nach welcher der
Entladestrom
umgeschaltet wird, größer oder kleiner gewählt werden.
Der Schaltungsaufwand ist im allgemeinen niedriger, wenn die Umschaltung des Entladestromes
nach jeweils einer gleichbleibenden Anzahl von Impulsen, z.B. 100, erfolgt. Beträgt
der gesamte Meßbereich beispielsweise 1000 Impulse, so besteht die Umwandlungskennlinie
aus zehn Geradenstücken gleicher Abszissenläge, denen jeweils eine bestimmte Referenzspannung
zugeordnet ist. Jede dieser Spannungen kann als Spannung einer Spannungsquelle,
bzw. als Strcm eines Strcngenerators, festgelegt sein. Man kann also zehn Spannungsquellen
vorsehen, die durch eine Auswählvorrichtung, z.3. einen Ringzähler, der in einer
gestrichelt eingezeichneten Steuereinheit St untergebracht sein kann, nacheinender
angesteuert werden, sobald der Zahler Z die entsprechende Impulszahl 100, 200, 300
Impulse usw. gezählt hat.
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Die Zählwerte, bei denen die Umschaltung erfolgt, können in der Steuereinheit
St gespeichert sein.
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Eine andere Möglichkeit zum Erzeugen der Referenzspannung besteht
darin, daß man sie mit einer Schaltung nach Art der bekannen stabilisierten Netzgeräte
erzeugt und den Zählwert einem Digital-Analog-Umsetzer DAU zuführt, dessen Ausgangsspannung
man der Referenzspannung selbst oder der in stabilisierten Spannungsquellen üblicherweise
enthaltenen Vergleichsspannung überlagert. Auch ist es möglich, in dem Digital-Analog-Umsetzer
DAU einen eingeprägten Strom zu erzeugen, der einen Widerstand der Referenzspannungsquelle
UR durchfließt und dort einenSpannungsabfall erzeugt, der seinerseits eine Änderung
der Referenzspannung UR bewirkt.
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Eine andere Möglichkeit zum Verändern der Referenz spannung besteht
darin, die Ausgangaspannung oder den Ausgangsstrom des Digital-Analog-Usetzers DAU
nicht unmittelbar in die Schaltung der Referenzspannungsquelle einzuspeisen, sondern
mindestens eines der die Referenzspannung bestimmenden Schaltelemente
zu
verändern. Hierzu eignen sich besonders Widerstünde, deren Werte durch Licht, Wärme
oder Magnetfelder beeinlfußt werden können. Magnetfeldabhängige Widerstände zeichnen
sich durch ihre geringe Trägheit aus. In diesem Falle kann auf einfache Weise eine
Potentialtrennung zwischen dem Ausgang des Zählers Z und dem Eingang des Integriergliedes
hergestellt werden.
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Eine andere vorteilhafte Lösung zum Ersielen einer nichtlinearen Umsetzungsfunktion
besteht darin, daß fUr den Integrationswiderstand Ri ein :agnetfeldabhängiger, temperaturabhängiger
oder ein Fotowiderstand verwendet wird und das Magnetfeld, seine Temperatur oder
die Beleuchtung mit dem Ausgangsaignal des an den Zähler Z angeschlossenen Digital-Analog-Umsetzers
(DAU) gesteuert wird.
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Anstelle der Referenzspannungsquelle UR kann auch eine Stromquelle
vorgesehen werden, die das Integrierglied unmittelbar entlädt. Im Falle einer Induktivität
als Integrierglied kann auf dem Magnetkern eine weitere Wicklung angebracht werden,
die von der Stromquelle während der Intladezeit gespeist wird.
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Auch die Stromquelle kann nach Art eines Digital-Analog-Umsetzers
mit Einzelstromquellen aufgebaut sein, die nach einem Code, z.B. einem Dualcode,
abgestuft sind. Ebenfalls kann der Ausgangsstrom mit der Spannung oder dem Strom
eines an den Zähler angeschlossenen Digital-Analog-Umsetzers verändert werden. Auch
kann mindestens eines der den Ausgangström bestammenden Schaltelemente bei Erreichen
bestimmter Zählwerte geändert werden, wosu vorteilhaft magnetfeld- oder tcmperaturabhängige
Widerstände cder Fotowiderstände eingesetst werden.
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Es ist möglich, den Analog-Digital-Umsetzer nacheinander an mehrere
Meßstellen anzuschließen und entsprechend den an diesen Meßstellen angebrachten
unterschiedlichen Meßwertgebern
auch eine unterschiedliche umwandlungsfunktion
zu erzeugen, indem die Steuereinheit St nach eincm bestimmten Programm, das über
die Leitung b eingegeben wird, umschaltbar gemacht wird.
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Mit dem neuen Verfahren können Analogwerte nach nahezu beliebigen
Umwandlungsfunktionen in Digitalwerte umgesetzt werden. Einfach ist die bildung
der Cuadratwurzel, wozu der Entladestrom proportional zum Zählwert gehalten wird.
Es können aber auch Kurven mit Eitremwerten verwirklicht werden. Hierzu ist allerdings
ein Vorwärts-Rückwärtszähler erforderlich, dessen Zählrichtung z.B. vcn der Steucreinheit
St über eine Leitung b umgeschaltet wird. Im allgemeinen wird dann bei der Rückwärtszählung
die-Steuereinheit St bei gleichen Zählwerten andere Umschaltdignale als bei der
Vorwärtszählung an den Digital-Analog-Umsetzer DAU abgeben müssen, da die Nichtlinearität
meistens nicht symmetrisch zu den Pxtremwerten verläuft.
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Eine Hichtlinearität der Umwandlungsfunktion kann nicht nur durch
Verändern des Entladestromes bei konstanter Taktimpulsfrequenz, scndern auch durch
Ändern der Taktfrequenz bei konstantem Entladestrom erreicht werden. Hierzu kann
die Frequenz des Taktgenerators T in Abhängigkeit vom Zählerstand variiert werden.
na die EreRuenz von Taktgeneratoren nicht in weiten Bereichen veränderbar ist, kann
ein zweiter, mit dem ersten synchronisierter Taktgenerator vorgesehen werden, der
in Abhängigkeit vom Zählerstand während der Impulspausen des ersten Taktgenerators
zusätzliche Impulse an den Zehler liefert. Pei einem flachen Verlauf der Umwandlungsfunktion
kann es nötig sein, pulse des ersten Taktimpulsgenerators zu unterdrücken.
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Eine weitere Möglichkeit der Frequenzänderung besteht darin, daß die
Taktimpulse über eine Steuereinheit geleitet werden, die in Abhängigkeit vom Zählwert
Impulse entweder unterdrückt
oder der ersten oder einer höheren
Stufe des Zählers zufUhrt.
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Für ein solches Verfahren braucht das zeitliche Auflösungsverzögen
des Zählers nicht höher als bei der linearen Analog-Digital-Umsetzung sein. Eine
Anordnung zur Durchführung dicses Verfahrens kann einen RingzGhler enthalten, der
von dcn Taktimpulsen weitergeschaltet wird und in den eine "1" eingcschieben ist.
An jede Stufe sind zwei Torschaltungen angeschlossen, von denen die einen die erste
Stufe des Zähler und die anderen die zweite StuSe ansteuern. Je nach Anzahl der
Torschaltungen, die von einer vom Zähler gesteuerten Steuerschaltung freigegeben
sind, werden Impulse unterdrUckt-bzw. der ersten oder der zweiten Zählstufe zugeführt.
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Patentansprüche
1 B1. Zeichnungen