DE2044057A1 - Digital / analog converter - Google Patents
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PatentanwältePatent attorneys
Dr.-Ing. Wilhelm Reichel . Dr.-Ing. Wilhelm Reichel.
6 Frankfurt a. M. 1 6407 6 Frankfurt a. M. 1 6407
Paiksiraße 13Paiksirasse 13
THE SOLARTRON ELECTRONIC GROUP LIMITED, Farnborough, EnglandTHE SOLARTRON ELECTRONIC GROUP LIMITED, Farnborough, England
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Digital/Analog-UmsetzerDigital / analog converter
Die Erfindung betrifft einen Analog/Digital-Umsetzer, der insbesondere als digitales Voltmeter verwendet werden kann und bei dem einem ersten elektrischen Eingangssignal (z.B. einer unbekannten Eingangsspannung), das ständig zugeführt wird, ein zweites elektrisches Signal (z.B. ein Bezugssignal) während eines Teils jedes Zyklus von mehreren aufeinanderfolgenden Betriebszyklen entgegenwirkt, wobei sich diese Zyklen schließlich wiederholen. Wenn dies der Fall ist, ist das Verhältnis zwischen den beiden Signalen proportional dem Verhältnis dieses Teils des Zyklus zu dem Gesamtzyklus - woraus sich die Bezeichnung Zeichen-Pause-Analog/Digital-Umsetzer ableitet - , und dieses Verhältnis wird durch ein Impulszählverfahren digital gemessen. Beispiele eines derartigen Umsetzers sind in den britischen Patentschriften 1 057 696 und 1 200 773 beschrieben. ■-·■■."The invention relates to an analog / digital converter, in particular can be used as a digital voltmeter and in which a first electrical input signal (e.g. a unknown input voltage), which is continuously supplied, a second electrical signal (e.g. a reference signal) during part of each cycle of several consecutive operating cycles counteracts, with these cycles eventually repeating. If so, that is the ratio between the two signals proportional to the ratio of this part of the cycle to the total cycle - from which the name Character-pause analog / digital converter derives -, and this ratio is made digital by a pulse counting process measured. Examples of such a converter are described in British Patents 1,057,696 and 1,200,773. ■ - · ■■. "
Die zuletzt erwähnte Patentschrift beschreibt Umsetzer mit einer kurzen Beruhigungszeit, d.h. der Umsetzer beruhigt sich nach einer geringen Anzahl von Zyklen, doch sind zwei Amplitudenfühler erforderlich. 'The last mentioned patent describes converters with a short settling time, i.e. the converter settles down after a small number of cycles, but there are two amplitude sensors necessary. '
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zeichen-Pause-Analog/Digital-Umsetzer zu schaffen, der mit nur einem einzigenThe invention is based on the object of a character-pause analog / digital converter to create that with just a single
.' 109815/173 7. ' 109815/173 7
2U440572U44057
Amplitudenfühler auskommt und dessen Ausgangssignal sich schnell beruhigt, und zwar für einen Bereich von Eingangssignalen, in dem das Verhältnis von Zeichen zu Pause (auch Tastverhältnis genannt) von nahezu Null bis nahezu Eins reicht.Amplitude sensor gets by and whose output signal calms down quickly, for a range of input signals, in where the ratio of character to pause (also called duty cycle) ranges from almost zero to almost one.
Nach der Erfindung enthält ein Zeichen-Pause-Analog/Digital-Umsetzer eine Summierschaltung, die ständig auf ein erstes elektrisches Signal und während des einen von zwei Zuständen eines bistabilen Schaltgliedes auf ein dem ersten Signal entgegenwirkendes elektrisches Signal anspricht und eine Ausgangsspannung erzeugt, die die Differenz zwischen den Signalen darstellt, einen einzigen Amplitudenfühler, der auf eine Amplitudenfühlerspannung und die Ausgangsspannung anspricht und Jedesmal einen Impuls erzeugt, wenn diese Spannungen gleich sind, und zwar unabhängig davon, welche bis dahin die größere war. Dieser Impuls wird zum Wechseln des Zustande des bistabilen Schaltgliedes verwendet. Eine sich periodisch zeitlich ändernde Spannung oder periodische Wechselspannung wird der Amplitudenfühler spannung oder der Ausgangsspannung überlagert, und während des einen Zustands des bistabilen Schaltgliedes werden von einem Taktimpulsgeber erzeugte Taktimpulse gezählt, um die Größe des ersten Signals digital darzustellen.According to the invention includes a character-pause analog-to-digital converter a summing circuit that is continuously responsive to a first electrical signal and during one of two states of a bistable switching element is responsive to an electrical signal counteracting the first signal and an output voltage that represents the difference between the signals, a single amplitude sensor that responds to an amplitude sensor voltage and the output voltage responds and generates a pulse every time these voltages are equal, regardless of which one was the bigger one up to then. This pulse is used to change the state of the bistable Switching element used. The amplitude sensor becomes a voltage that changes periodically over time or a periodic alternating voltage voltage or the output voltage superimposed, and are during the one state of the bistable switching element clock pulses generated by a clock pulse generator are counted to digitally represent the magnitude of the first signal.
Die Summierschaltung enthält vorzugsweise eine Mittelwertbildungsvorrichtung, d.h. eine Integriervorrichtung.The summing circuit preferably contains an averaging device, i.e., an integrator.
Das erste Signal ist vorzugsweise die unbekannte Eingangsspannung, während das zweite Signal ein Bezugssignal ist, doch können diese Rollen auch vertauscht werden, und es braucht keins von beiden Signalen als Bezugssignal zu dienen, wenn lediglich das Verhältnis beider Signale bestimmt werden soll. Es werden gleichbleibende Signale verwendet, obwohl auch pulsierende Signale verwendet werden können, wie dies bei einigen bekannten digitalen Voltmetern der Fall ist.The first signal is preferably the unknown input voltage, while the second signal is a reference signal, but these roles can be reversed and it does Neither of the two signals should be used as a reference signal if only the ratio of the two signals is to be determined. It steady signals are used, although pulsing signals can also be used, as is the case with some known digital voltmeters is the case.
Der Verlauf der periodischen Wechselspannung kann sägezahnförmig sein, doch ist die Kurvenform nicht kritisch, und die Wech-The course of the periodic alternating voltage can be sawtooth, but the shape of the curve is not critical and the alternation
1 0 V- 1M h / 1 7 3 71 0 V- 1 M h / 1 7 3 7
Z04A057Z04A057
selspannung kann durch eine Schaltung erzeugt werden, die durch den Taktimpulsgeber synchronisiert wird. Eine Möglichkeit, die Wechselspannung zu erzeugen, besteht darin, dem ersten Signal eine Rechteckschwingung zu überlagern, was noch ausführlicher beschrieben wird.selvoltage can be generated by a circuit made by the clock pulse generator is synchronized. One way to generate the AC voltage is to use the first signal superimpose a square wave, which is more detailed is described.
Die Beruhigungszeit dieses Umsetzers wird in Einheiten der Periodendauer der Wechselspannung gemessen, und daher läßt sich eine kurze Beruhigungszeit erzielen, indem man als Meßzeit ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Wechselspannung wählt, so daß die Zeit, die zur Beruhigung eines sich ändernden Eingangssignals benötigt wird, im Verhältnis zur Meßdauer kurz ist.The settling time of this converter is measured in units of the period of the alternating voltage, and therefore can achieve a short settling time by using an integral multiple of the period of the alternating voltage as the measuring time chooses so that the time it takes to calm a changing Input signal is required is short in relation to the measurement duration.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden im folgenden an Hand von Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. The invention and its developments are described in more detail below with reference to drawings of preferred exemplary embodiments.
Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dar.Fig. 1 shows a block diagram of an embodiment of the invention.
Fig. 2 stellt den Verlauf von Signalen dar undFig. 2 shows the course of signals and
Fig. 3 stellt ein-Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung dar. Fig. 3 is a block diagram of another embodiment of the invention.
Nach Fig. 1 wird eine unbekannte Spannung V1 einem Eingangsanschluß 1Qfzugeführt, der über einen Eingangswiderstand 11 mit einer Integrierschaltung verbunden ist, die aus einem Rechenverstärker 12 mit Rückführkondensator 13 besteht. Die Ausgangsspannung V des Integrierverstärkers wird einem Spannungsvergleicher 14 oder Amplitudenfühler zugeführt, dem auch eine Amplitudenfühler spannung VD zugeführt wird. Der Verlauf der Spannung VD ist dreieckförmig, wie es in Fig. 2(a) dargestellt ist. Die Spannung Vj3 wird von einem Generator 15 mit einer Periodendauer von 200 /usec erzeugt. Diese Periode wird durch eine 5-MHz-Taktimpulsquelle 16 und einen 3-Dekaden-Zähler 17 bestimmt, der die Frequenz der Taktimpulse auf 5 kHz untersetzt.According to FIG. 1, an unknown voltage V 1 is fed to an input terminal 1Q f which is connected via an input resistor 11 to an integrating circuit which consists of an arithmetic amplifier 12 with a feedback capacitor 13. The output voltage V of the integrating amplifier is fed to a voltage comparator 14 or amplitude sensor, to which an amplitude sensor voltage V D is also fed. The course of the voltage V D is triangular, as shown in Fig. 2 (a). The voltage Vj 3 is generated by a generator 15 with a period of 200 / usec. This period is determined by a 5 MHz clock pulse source 16 and a 3-decade counter 17, which reduces the frequency of the clock pulses to 5 kHz.
1ΌΓ.--1&/1-7371ΌΓ .-- 1 & / 1-737
2ÜU0572ÜU057
Die 5-kHz-Impulse bewirken den abwechselnden Anstieg und Abfall der Ausgangsspannung des Generators.The 5 kHz pulses cause the alternating rise and fall the output voltage of the generator.
Der Verlauf der Ausgangsspannung V ist ebenfalls dreieckförmig und kreuzt wiederholt den Verlauf der Spannung VD, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Jedesmal wenn sich der Verlauf der Spannungen kreuzt, führt der Vergleicher 14 einem Flipflop 18 (auch bistabile Kippschaltung genannt) einen Auslöseimpuls zu, und zwar unabhängig davon, welche Spannung größer ist, bevor sie sich kreuzen. Um dies zu erreichen, kann der Vergleicher in an sich bekannter Weise ausgebildet sein. So kann beispielsweise ein Differenzverstärker 14a die Spannungen VQ und Vß vergleichen, die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers durch einen Differentiator 14b differenziert und die differenzierte Spannung durch einen Gleichrichter 14c vollweg-gleichgerichtet werden, um die Auslöseimpulse zu erzeugen.The course of the output voltage V is also triangular and repeatedly crosses the course of the voltage V D , as can be seen from FIG. Whenever the profile of the voltages crosses, the comparator 14 feeds a trigger pulse to a flip-flop 18 (also called a bistable multivibrator), regardless of which voltage is greater before they cross. In order to achieve this, the comparator can be designed in a manner known per se. For example, a differential amplifier 14a can compare the voltages V Q and V β , the output voltage of the differential amplifier can be differentiated by a differentiator 14b and the differentiated voltage can be fully rectified by a rectifier 14c in order to generate the trigger pulses.
Üblicherweise wird das Flipflop dadurch ausgelöst, daß man Taktimpulse mit dem Vergleicherausgangssignal in einem Verknüpfungsglied I4d verknüpft und das verknüpfte Signal zum Umschalten des Flipflop 18 verwendet, das auf diese Weise zwischen zwei Zuständen hin- und hergeschaltet wird. Der Zustand des Flipflop 18 ist in Fig. 2(a) durch eine Zeile 19 veranschaulicht. In dem Abschnitt, in dem die Zeile 19 gestrichelt ist, befindet sich das Flipflop in einem ersten Zustand, und in dem Abschnitt, in dem die Zeile 19 nicht gestrichelt ist, befindet sich das Flipflop in seinem zweiten Zustand. Wenn das Flipflop 18 seinen zweiten Zustand einnimmt, wird nur V1 dem Integrierverstärkereingang zugeführt, und wenn V1 positiv 1st, fällt V ab, wie es in Fig. 2(a) dargestellt ist. Wenn sich das Flipflop 18 in seinem ersten Zustand befindet, schließt es einen FET-Schalter 20 (FET=Feldeffekttransistor), der dem Integrierverstärker über einen Widerstand 21 eine negative Bezugsspannung -VR zuführt. Der Betrag der Bezugsspannung -VR ist so gewählt, daß sie über den Widerstand 21 einen größeren Strom treibt, als maximal von der Eingangsspannung V* über den Widerstand 11 (bei vorliegender zulässigen Nenneingangsspannung) getrieben wird, so daß die Ausgangsspannung V ansteigt» wenn The flip-flop is usually triggered by combining clock pulses with the comparator output signal in a logic element I4d and using the combined signal to switch the flip-flop 18, which is switched back and forth between two states in this way. The state of the flip-flop 18 is illustrated by a line 19 in FIG. 2 (a). In the section in which line 19 is dashed, the flip-flop is in a first state, and in the section in which line 19 is not dashed, the flip-flop is in its second state. When the flip-flop 18 is in its second state, only V 1 is applied to the integrating amplifier input, and when V 1 is positive, V drops as shown in Figure 2 (a). When the flip-flop 18 is in its first state, it closes an FET switch 20 (FET = field effect transistor), which supplies a negative reference voltage -V R to the integrating amplifier via a resistor 21. The magnitude of the reference voltage -V R is chosen so that it drives a larger current through the resistor 21 than is driven by the input voltage V * through the resistor 11 (given the permissible nominal input voltage), so that the output voltage V rises »if
10' . 1 '-. / 1 7 3 710 '. 1 '-. / 1 7 3 7
sich das Flipflop 18 in seinem ersten Zustand befindet*the flip-flop 18 is in its first state *
Wenn sich das Flipflop 18 in seinem ersten Zustand befindet, Öffnet es auch ein Tor 22, so daß dieses Taktimpulse in einen Zähler 25 durchläßt. Der Zähler 23 zählt die Anzahl der Impulse, die ihm während der Zeit von 100 Perioden der Sägezahnschwingung Vß zugeführt werden, und dann wird der Zähler durch einen Rücksetzimpuls gelöscht und gleichzeitig sein Inhalt in einen Pufferspeicher 24 übertragen. Die Rücksetzimpulse werden in Abständen von 20 Millisekunden durch einen 2-Dekaden-Zähler 23 erzeugt, der die Ausgangsimpulse des Zählers 17 zählt und deren Frequenz untersetzt. Wenn das Voltmeter eine herkömmliche "Start"-Schaltung aufweist, läßt es sich ohne Schwierigkeiten einrichten, daß der Zählerstand des Zählers 23 nicht eher in den Pufferspeicher 24 übertragen wird, als bis sich das Instrument beruhigt hat. Das Auslesen kann auf beliebige Weise erfolgen, z.B. durch ZIffernanzeigeröhren oder Ausdrucken.When the flip-flop 18 is in its first state, it also opens a gate 22 so that this allows clock pulses into a counter 25. The counter 23 counts the number of pulses which are supplied to it during the period of 100 cycles of the sawtooth oscillation Vβ, and then the counter is cleared by a reset pulse and its contents are transferred to a buffer memory 24 at the same time. The reset pulses are generated at intervals of 20 milliseconds by a 2-decade counter 23, which counts the output pulses of the counter 17 and reduces their frequency. If the voltmeter has a conventional "start" circuit, it is easy to arrange that the count of the counter 23 is not transferred to the buffer memory 24 until the instrument has settled down. The reading can be done in any way, for example by means of a dial indicator tube or a printout.
Wenn die Zahl im Zähler 23 am Ende des Meßzyklus gleich N ist und die Widerstände 11 und 21 jeweils die Werte R und S aufweisen, gilt:If the number in counter 23 is equal to N at the end of the measuring cycle and resistors 11 and 21 each have the values R and S , the following applies:
100T 100T100T 100T
(Vj/R) dt.«(Vj / R) German «
(-V^/S) dt, (1)(-V ^ / S) dt, (1)
wobei T die Periodendauer eines Betriebszyklus ist, d.h. 200 MikrοSekunden, und V^ die Bezugsspannung zu irgendeinem Zeitpunkt ist.where T is the period of one cycle of operation, ie 200 microseconds, and V ^ is the reference voltage at any point in time.
Da V1 ständig zugeführt wird, gilt:Since V 1 is continuously supplied, the following applies:
_100T_100T
VT
(Vj/R) dt - ·£ i 100T und · (2)V T
(Vj / R) dt - £ i 100T and (2)
17371737
2U440572U44057
-100Τ η=100 ν τ ν τ (-VR/S) dt = ^ ηΤΒ 11T' (3) - 100Τ η = 100 ν τ ν τ (-V R / S) dt = ^ η Τ Β 11 T ' (3)
ο . η~ο. η ~
wobei ηΤ diejenige Zeit in jeder Periode T ist, zu der VR den Wert -VD aufweist (zu allen anderen Zeiten ist VA = 0).where ηΤ is the time in each period T at which V R has the value -V D (at all other times VA = 0).
Γν Π.Γν Π.
Durch Einsetzen von (2) und (3) in (1) erhält man:Substituting (2) and (3) into (1) one obtains:
VoRNFront
V = -S s KN , (4)V = -S s KN, (4)
1 S . 100 1 p. 100
wobei K eine Eichkonstante ist.where K is a calibration constant.
Es muß dafür gesorgt sein, daß der maximale absolute Wert der Steigung von VQ - wenn Vj nicht außerhalb des zulässigen Bereiches liegt - kleiner als der absolute Wert der Steigung von V^ ist. Eine Uberlastungsfeststellschaltung 26 in Form eines Schaltwerks ist vorgesehen, um festzustellen, wann das Flipflop 18 seinen ersten Zustand zu Beginn der Betriebszyklen einnimmt, die in Fig. 2 durch die vertikalen gestrichelten Linien 27 dargestellt sind. Die Schaltung 26 erzeugt dann ein Warnsignal, das anzeigt, daß Vj das Instrument überlastet.It must be ensured that the maximum absolute value of the slope of V Q - if Vj is not outside the permissible range - is smaller than the absolute value of the slope of V ^. An overload detection circuit 26 in the form of a switching mechanism is provided in order to determine when the flip-flop 18 assumes its first state at the beginning of the operating cycles which are shown in FIG. 2 by the vertical dashed lines 27. Circuit 26 then generates a warning signal indicating that Vj is overloading the instrument.
Eine ähnliche Betriebsart läßt sich erzielen, wenn Vß konstant bleibt, während die vom Generator 15 erzeugte Dreieckspannung der Spannung V überlagert wird, so daß sich die Spannung V' mit dem in Fig. 2(b) dargestellten Verlauf ergibt. Obwohl diese Überlagerung am Ausgang des Integrierverstärkers vorgenommen werden könnte, ist es einfacher, den Generator 15 wegzulassen und dem Eingang des Integrierverstärkers eine Rechteckspannung 28 (Fig. 2(c)) zuzuführen. Diese Alternative ist in Fig. 3 dargestellt, bei der die Ausgangsimpulse des Zählers 17 ein Flipflop 29 schalten, desssn einer Ausgang über einen Verstärker und einen Widerstand 31 mit dem Eingang des Integrierverstärkers 12 verbunden ist, der aus der Rechteckschwingung durch Integration eine Dreieckschwingung erzeugt. Die Uberlastungsfeststellschaltung wird jetzt von den beiden Flipflops 18 undA similar mode of operation can be achieved if V ß remains constant while the triangular voltage generated by the generator 15 is superimposed on the voltage V, so that the voltage V 'results with the curve shown in FIG. 2 (b). Although this superposition could be made at the output of the integrating amplifier, it is simpler to omit the generator 15 and to apply a square-wave voltage 28 (FIG. 2 (c)) to the input of the integrating amplifier. This alternative is shown in FIG. 3, in which the output pulses of the counter 17 switch a flip-flop 29, one output of which is connected via an amplifier and a resistor 31 to the input of the integrating amplifier 12 which integrates the square wave into a triangle wave. The overload detection circuit is now of the two flip-flops 18 and
10 ■ I S/ 173710 ■ I S / 1737
29 angesteuert.29 controlled.
V/ie man sieht, werden die beiden Signale, die durch die beiden Spannungen V- und VR gebildet werden, am Integrierschaltungseingang summiert. Es kann jedoch auch eine an sich bekannte Potentiometeranordnung verwendet werden. Stattdessen können die beiden Signale auch getrennt integriert und dann zur Bildung von V überlagert werden, und wenn die Glättungswirkung einer Integrierschaltung nicht erforderlich ist, können die Signale ohne Integration summiert werden.As can be seen, the two signals, which are formed by the two voltages V- and V R , are summed at the integrating circuit input. However, a potentiometer arrangement known per se can also be used. Instead, the two signals can also be integrated separately and then superimposed to form V, and if the smoothing effect of an integrating circuit is not required, the signals can be summed without integration.
Ferner ist es auch möglich, die Breieckschwingung (oder eine andere Wechselgröße) beiden Spannungen VQ und Vß zu überlage wenn dies erforderlich ist oder gewünscht wird. Furthermore, it is also possible to superimpose the triangular oscillation (or another alternating quantity) on the two voltages V Q and V β if this is necessary or desired .
1 C : ■ · '· £. / 1 7 3 71 C: ■ · '· £ . / 1 7 3 7
Claims (5)
dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung (11,21,12) eine Integriervorrichtung (13) enthält, die den Mittelwert der summierten Signale bildet. 2. converter according to claim 1,
characterized in that the summing circuit (11,21,12) contains an integrating device (13) which forms the mean value of the summed signals.
gekennzeichnet durch eine Bezugssignalquelle ("V^), die das zweite Signal erzeugt. 3. converter according to claim 1 or 2,
characterized by a reference signal source ("V ^) generating the second signal.
dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Wechselspannung einen sägezahnförmigen Verlauf hat. 4. converter according to claim 1, 2 or 3,
characterized in that the periodic alternating voltage has a sawtooth shape.
gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (29,30), die dem ersten Signal eine Rechteckschwingung überlagert und dadurch den sägezahnförmigen Verlauf der Ausgangsspannung der Summiervorrichtung (14) bewirkt.5. converter according to claim 2 and 4,
characterized by a device (29, 30) which superimposes a square wave on the first signal and thereby effects the sawtooth-shaped curve of the output voltage of the summing device (14).
Applications Claiming Priority (1)
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| GB (1) | GB1273790A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0452609A1 (en) * | 1990-04-19 | 1991-10-23 | Austria Mikro Systeme International Aktiengesellschaft | High resolution monolithic integrated analog-digital converter |
Family Cites Families (1)
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|---|---|---|---|---|
| US3500109A (en) * | 1966-09-12 | 1970-03-10 | Yokogawa Electric Works Ltd | Integrating analog-to-digital converter usable in digital voltmeters |
-
1969
- 1969-09-25 GB GB47334/69A patent/GB1273790A/en not_active Expired
-
1970
- 1970-09-05 DE DE19702044057 patent/DE2044057A1/en active Pending
- 1970-09-21 FR FR7034100A patent/FR2062997B1/fr not_active Expired
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0452609A1 (en) * | 1990-04-19 | 1991-10-23 | Austria Mikro Systeme International Aktiengesellschaft | High resolution monolithic integrated analog-digital converter |
| US5148170A (en) * | 1990-04-19 | 1992-09-15 | Austria Mikro Systeme Internationale Gesellschaft M.B.H. | High resolution analogue-to-digital converter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2062997B1 (en) | 1974-04-26 |
| FR2062997A1 (en) | 1971-07-02 |
| GB1273790A (en) | 1972-05-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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