DE2052376C3 - Digital-Analog-Umsetzer - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Umsetler mit einer eine Ausgangswicklung und eine mit dem Digitalsignal angesteuerte Eingangswicklung aufweisenden Magnetkern, einem an diesen Magnetkern angeschlossenen Flußdetektor, aus dessen Ausgangssignal ein Flußkompensationssignal für die Ausgangswicklung und ein analoges Ausgangssignal abgeleitet wird.

Es ist ein Digital-Analog-Umsetzer bekannt, bei dem, gesteuert durch das Digitalsignal, verschiedene Wicklung eines ringförmigen Magnetkernes eingeschaltet werden. Der in dem ringförmigen Kern dadurch hervorgerufene Magnetfluß wird über einen Hallgenerator gemessen, und aus der Meßspannung wird das gesuchte Analogsignal abgeleitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Digital-Analog-Umsetzer zu schaffen, bei dem mit möglichst geringem Schaltungsaufwand eine möglichst temperatur- und zeitunabhängige präzise Umsetzung möglich ist. Außerdem soll dieser Umsetzer selbsttätig arbeiten, so daß er leicht betrieben werden kann.

Die Erfindung ist gekennzeichnet dadurch, daß eine erste vom Ausgangssignal des Flußdetektorelements einstellbare variable Stromquelle mit einem Standardwiderstand in Reihe an die Ausgangswicklung angeschlossen ist und daß eine zweite Stromquelle an die Eingangswicklung angeschlossen ist. die in einer Abgleichbetriebsphase von einem Abgleichssignal nachstellbar ist, das aus dem Spannungsabgriff über dem Standardwiderstand über einen nur während der Abgleichsbetriebsphase geschlossenen Schalter abgeleitet wird und daß in der Umsetzerbetriebsphase durch das Digitalsignal ein Schalter betätigt ist, der die Anzahl der an die zweite Stromquelle angeschlossenen Wicklungen der Eingangswicklung auf das Digitalsignal einstellt.

Ein Umsetzer nach der Erfindung ist auch als variable Gleichspannungsquelle verwendbar, bei der man die an den Abgriffen abgegebene Gleichspannung sehr präzise durch Umschalten der Windungszahl der Eingangswicklung verstellen kann. Der Umsetzer nach der Erfindung ist besonders gut geeignet als variable Spannungsquelle in Voltmetern.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel im Blockschaltbild,

Fig.2 etwas übersichtlicher herausgezeichnet einen Ausschnitt aus F i g. 1 und

Fig.3 die abgeänderten Teile eines gegenüber F i g. 1 abgeänderten Ausführungsbeispiels.

Gemäß Fig. 1 ist mit Widie Eingangswicklung eines Transformators bezeichnet, die mehrere Abgriffe hat, so daß man die Windungszahl stufenweise beziehungsweise digital verändern kann. Mit Wo ist eine Ausgangswicklung bezeichnet, die eine feste Windungszahl hat und mit Wc eine Kompensationswicklung mit gleicher Windungszahl wie die Ausgangswicklung Wc. Schließlich sind noch zwei Detektorwicklungen Wd ί und Wd 2, die konstante Windungszahl haben, vorgesehen. Alle diese Wicklungen sind um den gleichen magnetischen Kern C gewickelt, der hohe magnetische Permeabilität hat. Eine variable Stromquelle Js ist über einen Schalter S an die Eingangswicklung Wi' angeschlossen. Der Schalter bestimmt die Windungszahl der Eingangswicklung Wi durch Umschalten der Abgriffe. Mit der Ausgangswicklung Wo ist eine variable Stromquelle Jx und ein standardisierter Widerstand Rs in Reihe geschaltet. An den beiden Enden des Widerstandes Rs liegen die Ausgangsanschlüsse P. Eine Standardspannungsquelle Es und die Eingangsanschlüsse eines Verstärkers A 1 liegen in Reihe zwischen den Enden des Widerstandes Rs, und zwar unter Zwischenschaltung der Relaiskontakte Sl, S2. Die Ausgangsseite des Verstärkers A 1 ist an einen steuernden Eingang der Stromquelle /5 angeschlossen und steuert den Stromfluß dieser Stromquelle. Die beiden Detektorwicklungen Wd 1 und Wd2 sind mit umgekehrter Polarität in Reihe geschaltet und über einen Transformator T an den Oszillator O angeschlossen. Das Ausgangssignal der Sekundärwicklung des Transformators Γ zwischen den beiden Detektorwicklungen Wd 1 und WdI und einem Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Transformators Γ wird in einen Demodulator D eingespeist. Wenn in dem Kern C kein magnetischer Gleichstromfluß stattfindet, dann balancieren die

r*etektorwicklungen WdX und Wd 2 das Ausgangssignal des Oszillators O genau aus, und es liegt am Demodulator D kein Eingangssignal /or. Wenn dagegen im Kern C ein magnetischer Gleichstromfluß stattfindet, darai ist das Ausgangssignal des Ozsillators in den Wicklungen WdI und Wd 2 nicht mehr ausbalanciert, und es entsteht ein Eingangssignal am Demodulator D, dessen Phase der Flußrichtung entspricht.

Wenn man mithin das Eingangssignal des Demodulators einer Phasendemodulation nach Maßgabe der Ozsillatorfrequenz des Oszillators O unterzieht, dann entsteht am Ausgang des Demodulators ein Gleichspannungssignal, dessen Polarität die Richtung des Gleichflusses in den Kern C angibt Dieses Gleichstromsignal wird in dem Verstärker A 2 verstärkt, der seinerseits mit seinem Ausgangssignal die variable Stromquelle Jx steuert. Zunächst wird durch ein Steuergerät K die Windungszahl. Ns der Eingangswicklung Wi auf das 1 (Mache der Spannung der Standardspannungsquelle Es geschaltet, wobei η eine ganze positive oder negative Zahl ist. Gleichzeitig werden die Kontakte Sl und S 2 geschlossen. Die Folge ist, daß die Ausgangsströme der stabilisierten Stromquelle Js und der variablen Stromquelle Jx durch die Wicklungen Wi und Wo fließen und daß in dem magnetischen Kern C ein magnetischer Gleichfluß induziert wird. Das daraus resultierende Gleichstromsignal am Ausgang des Demodulators D führt zu einem Steuersignal am Ausgang des Verstärkers A 2, das an die variable Gleichstromquelle Jx gelangt. Wenn dagegen die induzierten Magnetströme der Wicklungen W/und IVo sich gegenseitig auslöschen, dann besteh'l auch kein Magnetfluß in dem Kern C. Gleichzeitig findet eine automatische Steuerung der Stromquelle Js statt, so lange, bis der Spannungsabfall über dem Widerstand Rs genau so groß ist wie der der Spannungsquelle Es, bis sich also diese beiden Spannungen am Eingang des Verstärkers A 1 gegenseitig auslöschen. Die Schaltelemente für diese automatische Steuerung sind in F i g. 2 dargestellt. Sobald die automatische Steuerung beendet ist, stehen folgende Beziehungen:

Io No = IsNs, (1)

aus den Gleichungen (1) und (4) ergibt sich

Ex =

Io Rs = Ex.

wobei Ns die Windungszahl der Eingangswicklung, No die Windungszahl der Ausgangswicklung Wo, Js der Ausgangsstrom der Stromquelle /sund /oder Strom der Stromquelle: Jx ist.

Am Anschluß Q wird nun in das Steuergerät K ein Digitalsigna.l von außen eingespeist. Daraufhin schaltet das Steuergerät K den Schalter 5 um, so daß nun von der Eingangswicklung VV; eine Windungszahl Nx angeschlossen ist, wobei die Zahl Nx dem digitalen Wert des dig'talen Eingangssignals entspricht. Gleichzeitig werden die Relaiskontakte 51 und 52 geöffnet. Das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 bleibt mithin null und die Stromquelle Js liefert weiterhin den konstanten zuvor eingestellten Strom Is. Da jedoch die Stromquelle Jx durch das Ausgangssignal des Verstärkers A 2 nachgesteuert wird in dem Sinne, daß der magnetische Gleichfluß im Kern X kompensiert wird, ergeben sich folgende Beziehungen:

Es

Nx.

IxNo = IsNx. IxRs = Ex.

Da die Windungszahl Ns auf das 1 (Wache der Spannung der Spannungsquelle Es gesetzt wurde, entspricht die Spannung Ex direkt dem Wert des digitalen Eingangssignals das am Anschluß Q eingespeist wurde. Das Spannungssignal Ex, das man am Ausgangsanschluß P abgreift, ist also der analoge Wert des digitalen am Anschluß Q eingespeisten Eingangssignals, so daß zwischen dem Eingangsanschluß Q und dern Ausgangsanschluß P eine Digital-Analog-Umsetzung stattgefunden hat

Es kann sich ein Fehler ergeben bedingt durch den Lastwiderstand, der an dem Außenanschluß P angeschlossen ist. Wenn dieser Lastwiderstand sehr klein ist, oder wenn ein großer Lastwiderstand, bedingt durch Temperatureinflüsse od. dgl, hinsichtlich seines Widerstandswertes schwankt, dann beeinflußt dies erheblich den Spannungsabfall über dem Standardwiderstand Rs, da der Lastwiderstand diesem parallel geschaltet ist. Dadurch vird der Wert der am Ausgangsanschluß P abzugreifenden Analogspannung verfälscht. Dem entgegenzuwirken dient eine Kompensationswicklung Wc, die die gleiche Windungszahl hat wie die Ausgangs wicklung WO und die über die Relaiskontakte S3, 54 mit dem Lastwiderstand Re in Reihe über den Standardwiderstand Rs geschaltet werden kann. Die Standardwicklung Wc ist so gepolt, daß der bei geschlossenen Relaiskontakten S3 und S4 fließende Strom Ie einen Magnetfluß induziert, der dem von der Ausgangswicklung WO infolge des Stromes Ix induzierten Magnetfluß entgegengerichtet ist. Der Innenwiderstand der Kompensationswicklung Weist sehr klein. Die Relaiskontakte S3 und S4 werden, sobald die Abgleichphase beendet ist, vom Steuergerät K geschlossen, und die Folge ist, daß über dem Widerstand Re der gleiche Spannungsabfall stattfindet wie über dem Widerstand Rs, bedingt durch die Tatsache, daß die Kompensationswicklung Wc einen sehr kleinen Innenwiderstand hat. Der Ladestrom Ie, der infolge dieses Spannungsabfalles durch den Ladewiderstand Re fließt, fließt auch durch die Ausgangswicklung Wc und erzeugt dort einen Gleichstrommagnetfluß im Magnetkern C. Dieser Magnetfluß stört den bereits erzielten magnetischen Abgleich im Kern Q und die Folge davon ist, daß die Detektorwicklungen WdI und Wd 2 eine entsprechende Nachsteuerung der Stromquelle Jx veranlassen, bis der Magnetfluß im Kern wieder kompensiert ist. Ist das geschehen, dann ist der fehlerhafte Einfluß des Lastwiderstandes eliminiert, und das am Ausgangsanschluß P abgegriffene Analogsignal entspricht dem am Eingangsanschluß Q eingespeisten Digitalsignal.

Bei der vorstehenden Beschreibung wurde der Widerstand der Kompensationswicklung Wc unberücksichtigt gelassen. Der Widerstand der Kompensationswicklung Wc beeinflußt den Spannungsabfall über dem Widerstand Re, wodurch ein Fehler entsteht. An Hand der F i g. 3 wird eine Schaltung erläutert, die dazu dient, diesen Fehler zu vermeiden. F i g. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel nur auszugsweise, die nicht dargestellten Teile sind genau so ausgebildet wie in der Fig. 1. Die

6_S Bezugsziffern bezeichnen die gleichen Teile wie in der Fig. 1. Mit A 3 ist ein Operationsverstärker bezeichnet in dessen Rückkopplungszweig die Kompensationswicklung Wc geschaltet ist. Der eine Eingangsanschluß,

an dem auch die Kompensationswicklung Wc liegt, liegt über dem Ladewiderstand Ream Schaltkontakt 53, und der andere Eingangsanschluß am Schaltkontakt S 4.

Wenn durch den Ladewiderstand Re der gleiche Strom Ie fließt wie durch die Kompensationswicklung Wc und der Verstärkungsgrad des Verstärkers A 3 den Wert a hat, dann hat der Innenwiderstand des Verstärkers den Wert Ma, und das ist der Widerstand der Wicklung IVc. Wenn man also den Verstärkungsgrad a groß genug wählt, kann man den Innenwiderstand der Wicklung Wc vernachlässigen.

Man kann also mit den dargestellten Schaltungen einen Gleichstrom erzeugen, dessen Spannungen der Anzahl der eingeschalteten Windungen der Eingangswicklung IV/ entspricht. Diese Anzahl ist eine digitale Größe und kann durch ein digitales Signal gesteuert werden. Die dadurch erzielte Digital-Analog-Umsetzung ist weitgehend temperaturunabhängig und auch zeitunabhängig, denn die entscheidende Größe — die Zahl der eingeschalteten Windungen — ist von Temperatur und Zeit unabhängig. Die vorgesehene zweifache automatische Kompensation ist schaltungsmäßig einfach zu verwirklichen. Die Schaltung kann auch als Ganzes als variable Standardstromquelle, beispielsweise für ein digitales Voltmeter, dienen. Die Schaltung arbeitet außerordentlich genau.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Digital-Analog-Umsetzer mit einer eine AusgangswicJdung und eine mit dem Digitalsignal angesteuerte Eingangswicklung aufweisenden Magnetkern, einem an diesen Magnetkern angeschlossenen Flußdetektor, aus dessen Ausgangssignal ein Flußkompensationssignal für die Ausgangswicklung und ein analoges Ausgangssignal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste vom Ausgangssignal des Flußdetektorelements einstellbare variable Stromquelle (Jx) mit einem Standardwiderstand (Rs) in Reihe an die Ausgangswicklung (Wb^angeschlossen is: und daß eine zweite Stromquelle (Js) an die Eingangswicklung (Wi) angeschlossen ist, die in einer Abgleichbetriebsphase von einem Abgleichsigna] nachstellbar ist, das aus dem Spannungsabgriff über dem Standardwiderstand (Rs) über einen nur während der Abgleichsbetriebsphase geschlossenen Schalter (Sl, S 2) abgeleitet wird und daß in der Umsetzerbetriebsphase durch das Digitalsignal ein Schalter (S) betätigt ist, der die Anzahl (Nx) der an die zweite Stromquelle (Js) angeschlossenen Wicklungen der Eingangswicklung (Wi) auf das Digitalsignal einstellt

2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Magnetkern (C) zusätzlich eine der Ausgangswicklung (Wo) entgegengesetzt gepolte Kompensationswicklung (Wc) mit sehr kleinem Innenwiderstand gewickelt ist, die die gleiche Windungszahl wie die Ausgangswicklung (Wo) hat und die in Reihe mit einem Lastwiderstand (Re) unter Zwischenschaltung eines Schalters (S3, S4) über den Standardwiderstand fÄsJgeschaltet ist.

3. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Magnetkern fQzusätzlich eine Kompensationswicklung (Wc) gewickelt ist, die die gleiche Windungszahl wie die Ausgangswicklung (Wo) hat, und daß die Kompensationswicklung (Wc) in den Rückkopplungszweig eines zusätzlich vorgesehenen Verstärkers (Λ3) geschaltet ist, dessen beide Eingänge in Reihe mit einem Lastwiderstand (Re) unter Zwischenschaltung eines Schalters (S3, S 4) über den Standardwiderstand (Re) geschaltet sind.