DE1962333B2 - Analog/digital-umsetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog/Digital-Umsetzer mit einer Integrierschaltunj; usid einer Vorrichtung, die bewirkt, daß die Integriersclialtung ein analoges Eingangssignal während einer ersten Zeitspanne integriert, deren Ende durch einen Zähler signalisiert wird, der währenddessen Taktimpulse zählt, mit einer Vorrichtung, die der Integrierschaltung während einer zweiten Zeitspanne ein dem Eingangssignal entgegengesetztes Bezugssignal zuführt, um das Ausgangssignal der Integrierschaltung auf einen vorbestimmten Wert zurückzubringen, und die so ausgebildet ist, daß sie den Zähler veranlaßt, während der zweiten Zeitspanne eine Anzahl von Taktimpulsen zu zählen, die ein digitales Maß für das Eingangssignal ist.

Dieser Umsetzer kann z. B. in einem digitalen Spannungsmesser zum Messen elektrischer Spannungen verwendet werden, dabei wird die Eingangsspannung der Integrierschaltung während einer ersten Zeitspanne zugeführt, deren Dimer durch das Auszählen von Taktimoulsen bestimmt ist. Danach wird das

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entgegengesetzt gerichtete Bezugssignal anstelle der Eingangsspannung zugeführt oder dieses überlagert, um das Ausgangssignal der Integrierschaltung während einer zweiten Zeitspanne auf denjenigen Wert zurückzubringen, den es zu Beginn der ersten Zeitspanne einnahm. Gleichzeitig werden während der zweiten Zeitspanne Taktimpulse gezählt, um ein digitales Maß für die Eingangsspannung zu erhalten.

Diese Analog/Digital-Umsetzer sind an sich bekannt, doch ergeben sich Fehler beim Durchschalten der Eingangsspannungen zur Integrierschaltung und Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Polarität der Eingangsspannung, insbesondere bei kleinen Spannungen.

Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß der Umsetzer eine Verzögerungsvorrichtung enthält, die auf den Zähler am Ende der ersten Zeitspanne anspricht und den Beginn der zweiten Zeitspanne verzögert, und daß die das Bezugssignal zuführende Vorrichtung durch die Verzögerungsvorrichtung derart steuerbar ist, daß sie das Bezugssignal am Ende der Verzögerungszeit zuführt. Die Verzögerungszeit kann klein sein im Verhältnis zur Dauer der beiden Zeitspannen, z. B. bis zu einigen zehn Mikrosekunden, wobei die erste Zeitspanne etwa 20 Millisekunden dauert. Diese Verzögerungszeii genügt jedoch, die Integrierschaltung sich beruhigen zu lassen, nachdem die Eingangsspannung weggenommen ist.

Vorzugsweise wird die Polarität an Hand der Größe des Ausgangssignals der Integrierschaltung während der Verzögerungszeit festgestellt, wenn sich die Verhältnisse stabilisiert haben. Bei bekannten Spannungsmessern und anderen Analog/Digital-Umsetzern muß die Polarität während der ersten Zeitspanne bestimmt werden. Doch wenn die Eingangsspannung sehr klein ist, können Störsignale, wie das Netzrauschen, die Polaritätsbestimmung erschweren oder unmöglich machen, d. h. die Mörsignale können das Vorzeichen des Ausgangssignals im Kreuzungszeitpunkt umkehren, so daß die Polarität falsch bestimmt wird, selbst wenn die Störsignale durch Integration über die gesamte erste Zeitspanne in an sich bekannter Weise dadurch beseitigt werden, daß diese Zeitspanne gleich der Netzperiodendauer (20 Millisekunden bei einem 50 Hz Netz) gewählt wird. Vorzugsweise umfaßt diese Verzögerungszeit eine erste Verzögerungszeit, während der sich das Ausgangssignal der Integrierschaltung beruhigt und nach deren Ablauf die Polarität bestimmt und die erforderliche Polarität des Bezugssignals gewählt wird, und eine sich daran anschließende Verzögerungszeit, während der sich das Eingangssignal nach der Bezugssignal-Polaritätswahl beruhigen kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

F i g. 1 ist ein Blockschaltbild eines Analog/Digital-Umsetzers, der als digitaler Spannungsmesser verwendet wird;

In F i g. 2 ist der Verlauf des Ausgangssignals der Integrierschaltung des Umsetzers dargestellt.

In Fig. 1 sind alle Schalter als Feldeffekttransistoren (FET) dargestellt. Die unbekannte Eingangsspannung wird einem Anschluß 10 zugeführt, der mit dem Eingang eines über einen Kondensator 14 gegengekoppelten Integrierverstärkers 12 über einen Eingangsverstärker 16, einen Schalter 18 und einen Eingangswiderstand 20 verbunden ist. Der Schalter 18 wird im Zeitpunkt fi geschlossen, wodurch der Beginn einer ersten Zeitspan-

ne markiert wird, und zwar durch ein bistabiles Kippglied 22, das durch einen einem Eingang 24 zugeführten Startimpuls »gesetzt« wird, so daß am belegten Ausgang ein EINS-Signa; auftritt. Dieses EINS-Signal schaltet ein UND-Glied 26 über ein ODER-Glied 28 durch, so daß die von einem Taktimpulsgeber 30 abgegebenen Taktimpulse einem Zähler 32 zugeführt werden. Der Zähler zählt eine vorbestimmte Anzahl von Taktimpulsen und gibt dann ein Signal ab, das das Kippglied 22 »zurücksetzt«. Der Zählerstand entspricht dann einem vorgegebenen Wert, der Null sein kann. Dies geschieht im Zeitpunkt t₂, in dem das Ausgangssignal des Integrationsverstärkers 12 den in F i g. 2 dargestellten Betrag aufweist.

Beim Zurücksetzen des bistabilen Kippgliedes 22 wird der Schalter 18 geöffnet und ein Verzögerungsglied D\ ausgelöst, dessen Verzögerungszeit zehn Mikrosekunden betragen kann und d.:m Integratorausgangssignal genügend Zeit läßt, sich nach dem öffnen des Schalters 18 zu beruhigen. Die Verzögerungszeit T_D\ des Verzögerungsgliedes D₁ beginnt nach F i g. 2 im Zeitpunkt t₂ und endet im Zeitpunkt h. Es sei darauf hingewiesen, daß der Zeitmaßstab von t₂ bis is in F i g. 2 gegenüber dem von ti bis t₂ und von f₅ bis i₆ stark vergrößert ist Die Verzögerungszeit Td\ ist so gewählt, daß das Ausgangssignal des Integrationsverstärkers 12 im Zeitpunkt f₃ mit Sicherheit den stationären Zustand erreicht hat, und dann wird mit Hilfe eines an sich bekannten Vergleichers 34, z. B. ein Differentinlverstärker mit nachgeschalteter Auslösestufe, geprüft, ob das Ausgangssignal über oder unter einem Bezugswert, z. B. Massepotential, liegt, und der Vergleicher gibt ein EINS-Polaritätssignal ab, wenn die integrierte Eingangsspannung positiv war, und ein NULL-Signal, wenn die Spannung negativ war. Das Polaritäts-Ausgangssignal wird durch ein NICHT-Glied 36 invertiert (negiert).

An die Verzögerungszeit T_D\ schließen sich die Verzögerungszeiten T_m und T_m zweier weiterer Verzögerungsglieder D₂ und D₃, die dem Verzögerungsglied D\ nachgeschaltet sind, an. Diese Verzögerungszeiten können jeweils in der Größenordnung von einer Mikrosekunde und zwanzig Mikrosekunden liegen und enden im Zeitpunkt u und k nach F i g. 2. Zwei NAND-Glieder 38 und 39 erhalten die eine Mikrosekunde dauernden EINS-Signale vorr. Verzögerungsglied D₂. Diesen NAND-Gliedern werden ferner jeweils das Polaritätsausgangssignal direkt und über das NICHT-Glied 36 zugeführt. Das NAND-Glied 38 gibt ein NULL-Signal ab, wenn die Eingangsspannung positiv war, während das NAND-Glied 39 ein NULL-Signal abgibt, wenn die Eingangsspannung negativ war. Das NULL-Signal setzt ein bistabiles Polaritätskippglied, das aus NAND-Gliedern 40 und 41 aufgebaut ist, die jeweils EINS-Signale abgeben, wenn die Eingangsspannung positiv bzw. negativ war.

Bei positiver Eingangsspannung gibt das NAND-Glied 50 dann ein Null-Signal ab, weil sowohl der Vergleicher 34 als auch das NAND-Glied 40 ein EINS-Signal abgeben. Das NAND-Glied 5t gibt dagegen ein EINS-Signal ab, da die Ausgangssignale beider Glieder 36 und 41 NULL-Signale sind. Bei negativer Eingangsspannung gibt das NAND-Glied 50 ein EINS-Signal und das NAND-Glied 51 ein NULL-Signal ab. In beiden Fällen gibt daher ein weiteres NAND-Glied52 ein EINS-Signal ab.

Wenn die Eingangsspannung positiv war, schließt das NAND-Glied 40 einen Schalter 42, über den einem Verstärker 12 von einem Anschluß 44 eine negative Bezugsspannung zugeführt wird, wenn ein weiterer Schalter 46 geschlossen ist. Wenn die Eingangsspannung negativ war, schließt das NAND-Glied 41 einen Schalter 43, über den dem Verstärker 12 von einem Anschluß 45 eine positive Bezugsspannung zugeführt wird, wenn der Schalter 26 wieder geschlossen ist Der Schalter 46 wird jedoch nicht vor dem Zeitpunkt is geschlossen, d. h. vor dem Ablauf der Verzögerungszeit T_Di des Verzögerungsgliedes Di, wenn ein bistabiles Kippglied 48 gesetzt ist. Diese zusätzliche Verzögerungszeit ist so bemessen, daß währenddessen die Polarität bestimmt und die erforderliche Polarität der Bezugsspannung gewählt werden kann.
Der Zeitpunkt k stellt den Beginn der zweiten Zeitspanne dar, während der die ausgewählte Bezugsspannung das Integratorausgangssignal auf den Ausgangswert zurückbringt. Währenddessen werden erneut Taktimpulse gezählt, weil das Ausgangssignal des Kippgliedes 48 nicht nur den Schalter 46 schließt, sondern auch das UND-Glied 26 über das ODER-Glied 48 durchschaltet.

Das Ende der zweiten Zeitspanne ist dadurch bestimmt, daß das Integratorausgangssigna! im Zeitpunkt tf, (Fig.2) durch den Ausgangswert bzw. den Bezugswert geht. In diesem Augenblick wechselt der binäre Wert des Polaritätsausgangssignals des Vergleichers, so daß die NAND-Glieder 50 und 51 beide EINS-Signale abgeben. Dementsprechend erhält das weitere NAND-Glied 52 zwei EINS-Eingangssignale, so daß es ein NULL-Signal abgibt und das Kippglied 48 zurücksetzt. Das Zählen der Taktimpulse wird unterbrochen, so daß der Zählerstand des Zählers den Betrag der Eingangsspannung darstellt. Dieser Zählerstand wird durch herkömmliche Mittel auf einer Anzeigevorrichtung 54, z. B. mit Glimmentladungsröhren, dargestellt, und dann wird der Zähler 32 in an sich bekannter Weise zur nächsten Messung zurückgestellt. Die Polarität der Eingangsspannung wird in an sich bekannter Weise durch eine Polaritätsanzeigevorrichtung 56 angezeigt, die auf das Ausgangssignal des NICHT-Gliedes 40 anspricht. Die Anzeigevorrichtung 56 kann ein Minuszeichen beleuchten, wenn das NICHT-Glied 40 ein NULL-Signal abgibt. Wenn die Anzahl der zur Bestimmung der ersten Zeitspanne gezählten Impulse nicht so groß ist, daß der Zählerstand im Zeitpunkt t₂ Null ist, kann der Zähler durch den Ausgangsimpuls des Verzögerungsgliedes D₂ auf Null zurückgestellt werden.

Bei den Verzögerungsgliedern Di, D₂ und D3 kann es

sich um monostabile Kippglieder handeln, doch können die Verzögerungszeiten auch auf rein digitale Weise aus den Taktimpulsen abgeleitet werden, wobei zur Ausbildung der betreffenden Verzögerungszeit jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Taktimpulsen gezählt wird.

Die Erfindung kann auch angewendet werden, wenn die Taktimpulse in an sich bekannter Weise während der zweiten Zeitspanne auf verschiedene Arten gezählt werden, die von der Polarität der Eingangsspannung abhängen, z. B. zum Linearisieren der Kennlinie von

<-o Umformern. Dann muß man die Polarität der Eingangsspannung vor Beginn der zweiten Zeitspanne kennen, um die Zählart entsprechend zu wählen. Die Erfindung ermöglicht dies, und die Verzögerungszeit /wischen der Polaritätsbestimmung im Zeitpunkt fj und dem Beginn (·, der zweiten Zeilspanne kann im erforderlichen Maße durch Vergrößern der Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes D₁ verringert werden.

Hierzu ' Matt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: 19

1. Analog/Digital-Umsetzer mit einer Integrierschaltung und einer Vorrichtung, die bewirkt, daß die Integrierschaltung ein analoges Eingangssignal während einer ersten Zeitspanne integriert, deren Ende durch einen Zähler signalisiert wird, der währenddessen Taktimpulse zählt, mit einer Vorrichtung, die der Integrierschaltung während einer ι ο zweiten Zeitspanne ein dem Eingangssignal entgegengesetztes Bezugssignal zuführt, um das Ausgangssignal der Integrierschaltung auf einen vorbestimmten Wert zurückzubringen, und die so ausgebildet ist, daß sie den Zähler veranlaßt, während der zweiten Zeitspanne eine Anzahl von Taktimpulsen zu zählen, die ein digitales Maß für das Eingangssignal ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzer eine Verzögerungsvorrichtung (Di, D₃) enthält, die auf den Zähler (32) am Ende der ersten Zeitspanne anspricht und den Beginn der zweiten Zeitspanne verzögert, und daß die das Bezugssignal zuführende Vorrichtung (48,46) durch die Verzögerungsvorrichtung derart steuerbar ist, daß sie das Bezugssignal am Ende der Verzögerungszeit zuführt.

2. Analog/Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 mit einem Vergleicher zum Bestimmen der Polarität des Ausgangssignals der Integrierschaltung und mit einer Vorrichtung, die auf das Ausgangssignal des Vergleichers anspricht und ein Signal speichert, das die ermittelte Polarität anzeigt, und die ein positives oder negatives Bezugssignal in Abhängigkeit von deir ermittelten Polarität auswählt, das das Ausgaingssignal der Integrierschaltung während der zweiten Zeitspanne auf den vorgegebenen Wert zurückbringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsvorrichtung (Di, Hh, D$) so ausgebildet und ausgelegt ist, daß sie die Speichervorrichtung (4ΪΙ-41) nach einer ersten Verzögerungszeit (Tdi + Tm) am Ende der ersten Zeitspanne auf das Ausgangssignal des Vergleichers (34) ansprechen läßt und das ausgewählte Bezugssignal der Integrierschaltung (12, 14) nach Ablauf einer weiteren Verzögerungszeit ( Td\ + Tdi) zuführt.