DE1962697A1

DE1962697A1 - Verfahren zur nichtlinearen Analog-Digital-Umsetzung

Info

Publication number: DE1962697A1
Application number: DE19691962697
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl-Ing Schlebitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-12-13
Filing date: 1969-12-13
Publication date: 1971-06-24
Also published as: GB1311010A; NL7015415A; FR2070843B3; FR2070843A7

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAPT Erlangen,

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.

unser Zeichen:

^m 6 9 /' O 8 1 6

Verfahren zur nichtlinearen Analog-Digital-Umsetzung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung, bei dem während einer vorgegebenen Zeit ein Integrierglied durch Anlegen der Meßspannung aufgeladen und anschließend durch Anlegen einer Referenzspannung entladen wird und bei der die Entladezeit gemessen wird. Derartige Analog-Digital-Umsetzverfahren sind z.B. aus den BBC-Nachrichten, Mai 1967» bekannt. Die bekannten Verfahren gestatten, die analoge Eingangsgröße linear in einen Digitalwert umzuwandeln. Häufig tritt jedoch das Problem auf, einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen den Analogwerten und den Digitalwerten zu schaffen, damit die Nichtlinearitäten von Meßwertgebern, z.B. Durchflußgebern, Thermoelementen oder Widerstandsthermometern ausgeglichen werden können, und somit ein linearer Zusammenhang zwischen der der zu messenden Größe (Durchfluß) und dem digitalen Meßergebnis hergestellt wird. Ein ähnliches Problem tritt bei der Effektivwertmessung auf, bei der die Meßgröße nach vorangegangener Quadrierung und Siebung radiziert und mit einem Digitalmeßgerät angezeigt wird. Bisher war es üblich, die Nichtlinearität vor der Analog-Digital-Umsetzung durchzuführen. Beispielsweise wurde zur Radizierung ein Quadrierglied in den Gegenkopplungszweig eines Verstärkers gescheitet. Derartige Schaltungen sind aber, wenn mit ihnen ein geringer Meßfehler von z.B. weniger als 1$ erreicht werden soll, aufwendig.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Nichtlinearität der analogen Größe nicht vor der Analog-Digital-

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Umsetzung durchzuführen, sondern die Char icteristik der Analog-Digital-Umsetzung so zu wählen, daJ ein linearer Zusammenhang zwischen der analogen Meßgröße und dem digitalen Meßergebnis hergestellt wird. Bemnac.h soll mit der Erfindung ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung der eingangs erwähnten Art mit einer bestimmten, dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßten nichtline£v.ren Umsetzcharakteristik geschaffen werden. Erfindungßgeraäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Referenzspannung während der Entladezeit des Integriergliedes entsprechend "der gewünschten nichtlinearen Charakteristik der Analog-Digital-Umsetzung verändert wird. Ein solches Verfahren erfordert nur einen geringen Aufwand und erniedrigt die Umsetzungsgeschwindigkeit nicht. Auch können in bekannter Weise Störwechselspannungen unterdrückt werden, da dies während des ersten Verfahrensschritt ds geschieht.

Besonders einfach gestaltet sich das neue Verfahren, wenn der analoge Meßwert radiziert werden soll. In diesem Falle wird dem Integrierglied eine zeitlich linear ansteigende Referenzspannung zugeführt.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.

Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltung zur Durchführung des neuen Verfahrens.

In Figur 2 ist die Punktion der Schaltung; nach Figur 1 veranschaulicht.

Dem Analog-Digital-Umsetzer nach Figur 1 wird die Meßspannung Ux über einen Schalter S 1 einem Integrierglied zugeführt, das im Ausführungsbeispiel als sogenannter Miller-Integrator mit einem Integrationswiderstamd R 1, einem Verstärker V 1 und einem Integrationskondensator C 1 ausgebildet ist. Es können aber auch andersartige Integra- _#

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tionsglieder verwendet werden, so sind z.B. auch Induktivitäten gebräuchlich. Ist die Meßspannung TJx konstant und wird der Schalter S 1 zu einem Zeitpunkt t_Q (Pigur 2a) geschlossen, dann steigt die Ausgangsspannung des Integriergliedes von diesem Zeitpunkt an linear an, bis zu einem Zeitpunkt t₁, in welchem der Schalteer S 1, der z.B. ein Feldeffekttransistor sein kann, geöffnet wird. Bei Spannungs-Zeit-Umformern nach dem Zweiscfcirittverfahren ist die Aufladezeit t., des Integriergliedes konstant, so daß die erreichte Spannung bzw. Magnetisierung ein Maß . für die Größe der Spannung ist. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel wird die Ladezeit dadurch bestimmt, daß einem Zähler Z die Taktimpulse aus einem Taktgenerator T zugeführt werden und der Zähler bei Erreichen eines bestimmten Zählwertes eine Umschalteinrichfcung US veranlaßt, den Schalter S 1 zu öffnen und den Zähler auf Null zurückzusetzen. Auf das Nullsetzen des Zählers kann verzichtet werden, wenn im Zeitpunkt t_Q ein solcher Zählwert eingestellt wird, däß der Zähler zur Zeit t.. ©ein Zählvolumen erreicht hat und dabei die Umschaltvorrichtung US ansteuert. Anstelle des Zählers kann zur Erzeugung der Ladezeit auch ein gesonderter Prequenzuntersetzer vorgesehen sein.

Bei den bekannten Inalog-Digital-Umsetzer^i, die nach einem derartigen Spannungs-Zeit-Umsetzverfaihren arbeiten, wird nach einer gewissen Totzeit zum Zeitpunkt t₂ eine konstante Referenzspannungsquelle über einen Integrationswiderstand an den Verstärker V 1 gelegt, ,so daß der Kondensator G 1 linear entladen wird. Im Zeitpunkt des Nulldurchganges gibt ein an den Verstärker V 1 angeschlossener Nullverstärker NV ein Sperrsignal an den Zähler Z ab, no daft dieser die während der Entladezeiir von dem Taktgenerator T abgegebenen Impulse aufsummiert hat und die während des Entladevorganges des Kondensators C 1 verstrichene Zeit als Digitaiwert in dem Zähler steht. Dieser Di-

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gitalwert ist "bei konstanter Referenzspannung proportional zur anliegenden Meßspannung Ux. Hack der vorliegenden Erfindung soll die dein Verstärker V 1 zugeführt« Referenzspannung nicht konstant, sondern zeitlich, veränderlich sein. Soll wie im Ausführungsbeispiel der Meßwert radiziert werden, d.h. der Digitalwert und damit die Entladezeit des Kondensators G 1 sollen proportional zur t/urzel aus der MeSspannung TJx sein, so wird die Referenzspannung aus einer konstanten Spannung Uc mittels eines Integriergliedes gewonnen- Dieses Integrierglied ist wieder-ein·" IBLlIeSr-" Integrator mit einem Verstärker V 2, eineia G-egenkoppltmgskondensator C 2 und einem Integrationswid-srstand H 3· 3$ei konstanter Eingangsspannung Uc gibt dieses Integrierglied eine linear ansteigende Ausgangsspannung ab, deren Polarität wegen der Phasendrehung des Verstärl-rers V 2 der Polarität der Meßspannung Ux entgegengesetzt ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers V 2 bzw. die Laäespan— nung des Kondensators C 2 ist in Figur 2 b da rge stelle,, deren Zeitachse mit derjenigen der Figur 2 a übereiustiiHBt. Während der Aufladezeit des Kondensators ΰ 1 ist der £011-densator C 2 über einen Schalter S 2 kurzgeschlossen waM die konstante Spannung Uc ist durch einen Schalter S 3 von dem Eingang des Verstärkers V 2 getrennt. Die Schalter S 2 und S 3 sind zweckmäßig elektronische Schalter, z.B. Feldeffekttransistoren. Uach Ablauf der Aufladezeit des Kondensators C 1 und nach einer gewissen Totzeit, die zum Öffnen des Schalters S 1 und zürn Rücksetzen des Zählers Z notwendig ist, wird zum Zeitpunkt X_n der Schalter Ll 2 geöffnet und der Schalter S 3 geschlossen. Die dadurch entstehoude zeάtiinear axinteigende Spannung-wird über einen Integi i.crwidn. stand R 2 dem Verstärker V 1 sugeiührt, desf'pn Ge^rmkoppluu^komleiinnieu' C 1 um so sctoncller ent .laden wild, _tie höher die Außgangnaj'aimung den ¥<?¥- f;tf.alu-rfj Y ? jf;l, wie in Figur 2 a ve ram·";-·hau] iebt ist. Zu eint in Zi i t juiijI; t 1 .. int die Aur.eiviiaf.ny-nrzimntt, den Verrlärl'eji V 1 Iii.il und del Ku I 1\( :Γ·-·Λ y-rlu τ UV f,]>crrt den

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Zähler Z. In diesem steht ein der Quadratwurzel aus der MeSspannung Ux proportionaler Digitalwert. Nach der Entladung des Kondensators C 1 wird die Umsciaalteinrichtung US von dem Nullverstärker IiV veranlaßt, den Schalter S 2 zn schließen und den Schalter S 3 wieder au öffnen. Der Schalter S 1 wird bei Beginn der nächsten Messung geschlossen. ·

5 Patentansprüche
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Claims

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Patentans prüehe

Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung, bei dem während einer vorgegebenen Zeit ein Integrierglied durch Anlegen einer Meßspannung aufgeladen und anschließend durch Anlegen einer Referenzspannung eitladen wird und bei dem die Entladezeit gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung während der Entladezeit des Integriergliedes (V 1, C 1_f R 2) entsprechend der gewünschten nichtlinearen Charakteristik der Analog-Digital-Umsetzung verändert wir;!.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrierglied (V 1, C 1, R 2) eire zeitlich linear ansteigende Referenzspannung zugeführt wird.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Integrierglied (V 2, C 2, R 3) vorgesehen ist, dessen Eingang an eine Konstantspannungsquelle (Uc) angeschlossen ist und das während der Entladezeit des ersten Integriergliedes (V 1, C 1, R 2) die zeitlinear veränderliche Spannung an dieses abgilt.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Integrierglied (V 2, G 2, R 3) ein kapazitiv gegengekoppelter Verstärker ist, dessen Gegenkopplungskondensator (C 2) bis zu Beginn das Entladevorganges des Integriergliedes (V 1, C 1, R2) durch einen Schalter (S 2) kurzgeschlossen ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantspannungsquelle (Uc) bis zu Beginn des Entladevorganges des ersten Integriergliedes (V 1, C 1, R 2) von dem Eingang des zweiten Integriergliedes (V 2, C 2, R 3) getrennt ißt.

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