DE1944191B2

DE1944191B2 - Anordnung zum Umsetzen von Analogwerten in Digitalwerte

Info

Publication number: DE1944191B2
Application number: DE19691944191
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Stiehl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-08-30
Filing date: 1969-08-30
Publication date: 1971-01-14
Also published as: DE1944191A1; JPS4933208B1; AT303422B; FR2060133A7; FR2060133B3; NL7012654A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Um- Signal an eine Koinzidenzstufe abgibt, der während setzen von Analogwerten in Digitalwerte mit einer der Integrationszeit eine bestimmte Zahl von Takt-Vergleichseinrichtung, welche den umzusetzenden impulsen zugeführt wird, und daß aus der Zahl der Analogwert mit der dem Digitalwert entsprechenden durch die Koinzidenzstufe hindurchgelassenen Im-Summe von Teilspannungen vergleicht und ein Signal 5 pulse geschlossen wird, wie oft das Ausgangssignal abgibt, das anzeigt, welcher der beiden Werte größer der Vergleichseinrichtung in dem einen und dem ist, und mit einer Steuereinheit, welche die jeweils anderen der beiden möglichen Zustände war.
nächst kleinere Teilspannung zuschaltet, wenn die Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß an die

Summe kleiner als die Meßspannung ist und die ein binäres Signal abgehende Vergleichseinrichtung jeweils zuletzt zugeschaltete Teilspannung wieder io der eine Eingang eines Koinzidenzgatters angeabschaltet und die nächst kleinere Teilspannung schlossen ist, dessen anderem Eingang während einer zuschaltet, wenn die Summenspannung größer als die wählbaren Integrationszeit eine Taktimpulsfolge mit Meßspannung ist. einer bestimmten Impulszahl zuführbar ist und an

Derartige Analog-Digital-Umsetzer sind beispiels- dessen Ausgang ein Zähler angeschlossen ist, der zu weise die sogenannten Stufenverschlüßler. Bei ihnen 15 Beginn der Impulsfolge auf 0 gestellt ist, dessen wird die Meßspannung iterativ mit der Summe von Ausgangssignal bei Erreichen einer vorgewählten Teilspannungen verglichen, die nach dem jeweils ver- Impulszahl, die kleiner als die dem Koinzidenzgatter wendeten Code abgestuft und je einer Stelle des zugeführte Impulszahl ist, von einem ersten in einen Codes zugeordnet sind. Die jeweils nächst kleinere zweiten Zustand wechselt und an dessen Ausgang Teilspannung wird zugeschaltet, wenn die Summe 20 die Steuereinheit angeschlossen ist. Gegenüber einem kleiner als die Meßspannung ist. Ist die Summen- Verschlüßler mit analoger Integration, der eine große spannung größer als die Meßspannung, so wird die Erholzeit hat und mit dem sich nur begrenzte Intejeweils zuletzt zugeschaltete Teilspannung wieder grationszeiten verwirklichen lassen, kann in der abgeschaltet und die nächst kleinere Teilspannung neuen Schaltung der Zähler nach der Integration in zugeschaltet. In die den zugeschalteten Teilspan- 25 kürzester Zeit auf Null gesetzt werden, und die Schalnungen zugeordneten Stellen des Codes wird jeweils tung ist sofort wieder betriebsbereit,
eine »1« eingeschrieben. Eine ähnliche Analog- An Hand der Zeichnung werden im folgenden die

Digital-Umsetzung wird mit Widerstandsbrücken- Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen Schaltungen durchgeführt, bei denen die Vergleichs- näher beschrieben und erläutert,
widerstände stufenweise geändert werden. Nach 30 Fig. 1 zeigt als Beispiel das Prinzipschaltbild jeder Widerstandsänderung wird geprüft, nach eines Stufenverschlüßlers; in den
welcher Richtung die Widerstandsbrücke verstimmt Fig. 2a, 2b und 2e sind Impulsdiagramme des

ist. Derartige Umsetzverfahren haben den Vorteil, Stufenverschlüßlers nach F i g. 1 dargestellt,
daß sie eine hohe Umsetzgeschwindigkeit und eine In Fig. 1 ist mit V eine gestrichelt umrandete

große Genauigkeit haben. Diesem Vorteil steht der 35 Vergleichseinrichtung bezeichnet, welche die EinNachteil gegenüber, daß die Entscheidung, ob die zu gangsspannung U_E mit einer Spannung U_v vergleicht, verschlüsselnde Spannung größer oder kleiner als die die von einem Digital-Analog-Umsetzer 2 geliefert Vergleichsspannung ist, zu einem bestimmten, kurzen wird. Dieser ist an ein Ergebnisregister 3 ange-Zeitpunkt getroffen wird, so daß auch nur kurzzeitige schlossen. Die Vergleichseinrichtung V besteht aus Störspannungen eine falsche Verschlüsselung bewir- 40 einem Differenzverstärker 1 und einem Impulsken können. Die Störspannungen können dem zu former 6, der die Ausgangsspannung des Differenzverschlüsselnden Wert überlagert sein; sie können Verstärkers 1 in ein zweiwertiges binäres Signal umaber auch in dem Umsetzer selbst erzeugt werden, wandelt. An den Impulsformer 6 ist eine gestrichelt insbesondere in der Vergleichseinrichtung, wenn umrandete Integrationsstufe/ angeschlossen, die aus diese ein Zerhackerverstärker ist. Diese Störsignale 45 zwei UND-Gattern 7 und 8 sowie einem Zähler 9 könnten zwar durch ein der Vergleichseinrichtung besteht. Dieser liefert ein binäres zweiwertiges Signal nachgeschaltetes Integrationsglied verringert werden. an eine Steuereinheit 4, die z.B. eine Ablaufsteuerung Dadurch würde aber auch die Änderungsgeschwin- sein kann und die je nachdem, ob die Eingangsdigkeit der Ausgangsspannung der Vergleichseinrich- spannung größer oder kleiner als die Vergleichstung vermindert, so daß der Verschlüsselungsvorgang 50 spannung U_v ist, nur die jeweils nächste Stelle des langsamer würde. Ergebnisregisters 3 einschaltet oder auch die zuletzt

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- eingeschaltete Stelle wieder ausschaltet. Die Zeiten gründe, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit für die einzelnen Prüf schritte werden mittels eines der der Einfluß von Störsignalen auf die Entschei- Taktgenerators 5 bestimmt. Dieser liefert ferner Imdungslogik eines Analog-Digital-Umsetzers ver- 55 pulse an ein UND-Gatter 8, das während bestimmter mindert wird, ohne daß der Verschlüsselungsvorgang Zeiten von der Steuereinheit 4 freigegeben wird. Die wesentlich verlängert wird. Zur Lösung dieser Auf- Ausgangsimpulse des UND-Gatters 8 gelangen auf gäbe wird von dem Gedanken ausgegangen, die Aus- den einen Eingang des UND-Gatters 7, an das gangsspannung der Vergleichseinrichtung digital über wiederum der Zähler 9 angeschlossen ist. Ubereinen Zeitabschnitt zu integrieren, in dem die Aus- 60 schreitet der Zähler einen bestimmten vorgewählten gangsspannung sich nicht ändern sollte und während- Zählerstand, dann wechselt sein Ausgangssignal, dessen daher geprüft werden kann, ob der zu ver- Dieser Zählerstand wird vorteilhaft gleich der Hälfte schlüsselnde Wert größer oder kleiner als der dem der dem UND-Gatter 7 zugeführten Taktimpulse jeweils eingestellten Digitalwert entsprechende Ver- gewählt.

gleichswert ist. Die digitale Integration kann nach 65 Im folgenden wird an Hand der Fig. 2 die dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 1 näher erderart gebildet werden, daß die Ausgangsspannung läutert. Zu Beginn des Verschlüsselungsvorganges der Vergleichseinrichtung ein binäres zweiwertiges gibt der Digital-Analog-Umsetzer 2 die Spannung

3 4

U_v = O ab, so daß die Ausgangsspannung des Ver- einem Zeitpunkt, zu dem sich die Ausgangsspannung stärkers 1 gleich dem Produkt aus dem Verstärkungs- des Verstärkers 1 praktisch nicht mehr ändert und faktor und der Eingangsspannung U_E ist. Der zeit- eine Prüfung vorgenommen werden kann, vergrößert liehe Verlauf der Ausgangsspannung des Ver- werden müßte. Dies hätte zur Folge, daß die Verstärkers 1 ist in Fig. 2a dargestellt. Der Impuls- 5 schmsselungszeit wesentlich zu verlängern wäre,
former 6 setzt das Ausgangssignal des Verstärkers 1 Diese Schwierigkeiten können mittels des digitalen in ein zweiwertiges binäres Signal um, dessen Zeit- Integriergliedes/ vermieden werden, das zwischen diagramm Fig. 2b zeigt. Zu Beginn des Ver- den Impulsformer6 und die Steuereinheit4 geschlüsselungsvorganges, der mit einem der Klemme S schaltet ist. Das binäre Ausgangssignal des Impulszugeführten Startsignal eingeleitet wird,, wird die io formers 6 wird dem UND-Gatter 7 zugeführt. An höchste Stelle im Ergebnisregister 3 gesetzt, und der dem anderen Eingang liegt der Ausgang eines UND-Digital-Analag-Umsetzer gibt eine der Wertigkeit Gatters 8, das von dem Taktimpulsgenerator 5 und der gesetzten Stelle entsprechende Spannung U_v ab, der Steuereinheit 4 angesteuert wird. Nach einer geso daß sich die Ausgangsspannung des Verstärkers 1 wissen Zeit seit dem Zuschalten einer weiteren Stufe vermindert. Diese Spannungsänderung erfolgt aber 15 des Ergebnisregisters 3, nach der sich die Ausgangsnicht unmittelbar, sondern wegen der unvermeid- spannung des 'Verstärkers 1 praktisch nicht mehr liehen Kapazitäten nach einer Exponentialfunktion. ändert, wird das UND-Gatter für die Taktimpulse Außerdem ist im allgemeinen die Ausgangsspan- freigegeben, und zwar für eine bestimmte, vornung von Störsignalen überlagert, im Ausführungs- gewählte Zeit, so daß auch nur eine bestimmte Anbeispiel sollen die Störsignale aus einem Rauschen 20 zahl von Taktimpulsen zu dem einen Eingang des geringerer Amplitude und aus periodischen positiven Impulsgatters 7 gelangen können. Gibt während und negativen Störimpulsen bestehen, die z. B. von dieser ganzen Zeit der Impulsformer 6 »L«-Signa! dem im Verstärker 1 enthaltenen Zerhacker her- an den anderen Eingang des UND-Gatters 7, so gerühren. langen sämtliche Impulse zum Zähler 9. Liegt aber Im folgenden sei zunächst angenommen, daß die 25 nur während eines Teils der von der Steuereinheit 4 Integrationsstufe / nicht vorhanden ist und der Im- bestimmten Zeit »L«-Signal an dem einen Eingang pulsformer 6 die Steuereinheit 4 unmittelbar an- des UND-Gatters 7, so gelangt nur ein diesem Zeitsteuert. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer seit dem anteil entsprechender Teil der Taktimpulse zum Einschalten der höchstwertigen Stufe im Ergebnis- Zähler 9. Ist nun der Zähler 9 auf eine Zahl vorregister 3 wird im Zeitpunkt T₁ geprüft, ob die Aus- 30 eingestellt, die gleich der halben Anzahl der dem gangsspannung des Verstärkers 1 größer oder kleiner Gatter 7 zugeführten Impulse ist, dann wird er sein Null bzw. ob das Ausgangssignal des Impuls- Ausgangssignal wechseln, wenn das Ausgangssignal formers 6 »L« oder »0« ist. Wie aus Fig. 2b zu des Impulsformers 6 zu mehr als 50% der Zeit im ersehen ist, ist bei dem gewählten Beispiel im Zeit- »L«-Zustand war, aber nicht, wenn der »L«-Zustand punkt T₁ das Ausgangssignal des Impulsformers 6 35 zu weniger als 50% der Zeit bestand. Dabei ist es »L«, und es wird mit einer gewissen unvermeidbaren gleichgültig, ob das Ausgangssignal des Impuls-Verzögerung die Stufe mit der zweithöchsten Wer- formers 6 während der von der Steuereinheit 4 betigkeit des Ergebnisregisters eingeschaltet. Damit stimmten Zeit seinen Zustand nur einmal oder mehrwird die Ausgangsspannung U_v des Digital-Analog- fach wechselte. Es sollte aber die Breite der dem Umsetzers weiter erhöht, und zwar zunächst so weit, 40 UND-Gatter 7 zugeführten Taktimpulse kleiner als daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 1 kleiner die kleinste Breite der Störimpulse sein. Die Geals 0 wird. Nach Verlauf einer bestimmten Zeit seit nauigkeit dieser digitalen Integration ist um so dem Einschalten der zweiten Stufe des Ergebnis- größer, je mehr Taktimpulse eine Impulsfolge entregisters 3 wird im Zeitpunkt T₂ wiederum geprüft, hält.

ob das Ausgangssignal des Impulsformers 6 »L« 45 In den Fig. 2c und 2d ist die Wirkung des Inte- oder »0« ist. Gerade zu diesem Zeitpunkt tritt ein grationsgliedes / auf einen Verschlüsselungsvorgang Störimpuls auf, der die Ausgangsspannung des Ver- näher veranschaulicht. Es wird wiederum zunächst stärkers 1 größer als 0 macht. Die Steuereinheit wird die höchste Stufe des Ergebnisregisters 3 eingeschaldaraus schließen, daß die Spannung U_v immer noch tet, so daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 1 kleiner als die Eingangsspannung U_E ist und wird 5° sinkt. Nach einer gewissen Zeitdauer, nach der sich, die Stufe mit der nächsthöchsten Wertigkeit des Er- die Ausgangsspannung praktisch nicht mehr ändert, gebnisregisters 3 einschalten, ohne die vorhergehende wird das UND-Gatter 8 für die Taktimpulse des Stufe abzuschalten. Dies wird, wie an Hand der Generators 5 freigegeben. Diese gelangen zum UND-F i g. 2 a zu sehen ist, zu einer falschen Verschlüsse- Gatter 7, und da dieses von dem Impulsformer 6 lung führen. Ebenso können auch bei den weiteren 55 ebenfalls freigegeben ist, werden sämtliche Impulse Verschlüsselungsschritten zu den Zeitpunkten T₃ der Impulsfolge in den Zähler 9, der zuvor auf 0 und T₄ Fehler auftreten, insbesondere bei den gesetzt worden war, eingezählt. Die Anzahl der Imletzten Schritten, bei denen das Ausgangssignal des pulse einer Impulsfolge betrage im Ausführungs-Verstärkers 1 infolge des Rauschens häufig um den beispiel 10. Der Zähler sei nun so eingestellt, daß er Nullpegel wechselt. Zur Vermeidung der fehler- 60 nach fünf gezählten Impulsen sein Ausgangssignal haften Verschlüsselungen infolge von Störimpulsen wechselt. Der zeitliche Verlauf seines Ausgangsund des Rauschens könnte man zwar dem Ver- signals ist in Fig. 2d dargestellt. Nach Beendigung stärker 1 ein analoges Integrierglied nachschalten, der Integrationszeit T₁ wird in der Steuereinheit 4 müßte dann aber den Nachteil in Kauf nehmen, daß geprüft, ob am Ausgang des Zählers 9 »L«- oder die Exponentialfunktion, mit der die Ausgangs- 65 »O«-Signal liegt. Im vorliegenden Fall ist das Zählerspannung des Verstärkers 1 sich ihrem Grenzwert ausgangssignal im »L«-Zustand, so daß die Stufe nähert, flacher verliefe, so daß die Zeitdauer vom mit der zweithöchsten Wertigkeit des Ergebnis-Einschalten einer Stufe im Ergebnisregister 3 bis zu registers zugeschaltet wird. Wiederum wird nach der

vorbestimmten Zeit das UND-Gatter 8 für die Taktimpulse freigegeben. Diese gelangen aber zunächst nicht zum Zähler 9, da das UND-Gatter 7 von dem Impulsformer 6 gesperrt ist. Nur der letzte Impuls, der mit dem Störimpuls auf dem Ausgangssignal des Verstärkers 1 zusammenfällt, wird gezählt. Der Zähler 9 gibt daher »O«-Signal ab. Es wird daher die Stufe mit der zweithöchsten Wertigkeit des Ergebnisregisters 3 wieder abgeschaltet, und die Stufe mit der dritthöchsten Wertigkeit wird zugeschaltet. Da der Impulsformer 6 während der Integrationszeit T₁ »L«-Signal abgibt, gelangen sämtliche Impulse zum Zähler 9, dessen Ausgangssignal sich schon nach fünf gezählten Impulsen vom »0«- zum »L«-Zustand ändert. Die dritte Stelle im Ergebnisregister bleibt daher eingeschaltet. Nach Zuschalten der Stufe mit der vierthöchsten Wertigkeit sind die Spannungen U_E und Uy nahezu gleich, so daß schon das Verstärkerrauschen ausreicht, um das Ausgangssignal des Impulsformers 6 umzuschalten. Im Mittel liegt jedoch die Ausgangsspannung des Verstärkers über dem Nullpegel, was auch der Zähler 9 anzeigt, der sieben Impulse zählt.

Im ■ Ausführungsbeispiel wird der Zähler 9 unmittelbar vor der Freigabe des UND-Gatters 8 auf 9 zurückgesetzt. Dies kann aber auch zu einem anderen Zeitpunkt, zu dem die Steuereinheit ihre Entscheidung schon getroffen hat, geschehen, z. B. mit dem Zuschalten der nächsten Stufe des Ergebnisregisters. "•'Im Ausführungsbeispiel werden die Abtastimpulse von dem Taktgenerator 5 geliefert, der auch die Steuereinheit 4 mit Taktimpulsen versorgt. Die Frequenzen der beiden Impulsfolgen werden im allgemeinen verschieden sein. Es ist auch möglich, das UND-Gatter 8 von einem anderen Taktgenerator anzusteuern oder die Taktimpulse für die digitale Integration in der Steuereinheit selbst zu bilden.

Um die Arbeitsweise des Stufenverschlüßlers leichter verständlich zu machen, wurde in dem Ausführungsbeispiel eine Vergleichseinrichtung V gewählt, welche aus einem Verstärker 1 und einem von diesem getrennten Impulsformer 6 besteht. In der Praxis wird man einen Verstärker wählen, der durch Rückkopplung unmittelbar das in Fig. 2b dargestellte Impulsdiagramm liefert.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Umsetzen von Analogwerten in Digitalwerte mit einer Vergleichseinrichtung, welche den umzusetzenden Analogwert mit der dem Digitalwert entsprechenden Summe von Teilspannungen vergleicht und ein Signal abgibt, das anzeigt, welcher der beiden Werte größer ist, und mit einer Steuereinheit, welche die jeweils nächst kleinere Teilspannung zuschaltet, wenn die Summe kleiner als die Meßspannung ist und die jeweils zuletzt zugeschaltete Teilspannung wieder abschaltet und die nächst kleinere Teilspannung zuschaltet, wenn die Summenspannung größer als die Meßspannung ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die ein binäres Signal abgebende Vergleichseinrichtung (F) der eine Eingang eines Koinzidenzgatters (7) angeschlossen ist, dessen anderem

' Eingang während einer wählbaren Integrationszeit (Ti) eine Taktimpulsfolge mit einer bestimmten Impulszahl zuführbar ist und an dessen Ausgang ein Zähler (9) angeschlossen ist, der zu Beginn der Impulsfolge auf 0 gestellt ist, dessen Ausgangssignal bei Erreichen einer vorgewählten Impulszahl, die kleiner als die dem Koinzidenzgatter (7) zugeführte Impulszahl ist, von einem ersten in einen zweiten Zustand wechselt und an dessen Ausgang die Steuereinheit (4) angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Taktimpulse kürzer als die kürzesten, dem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung (F) überlagerten Störimpulse ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Zählers (9) bei einer vorgewählten gezählten Impulszahl wechselt, die gleich der halben Anzahl der Impulse der dem Koinzidenzgatter (7) zugeführten Impulsfolge ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen