DE2059862A1

DE2059862A1 - Analog-Digitalwandler unter Verwendung eines Integrators

Info

Publication number: DE2059862A1
Application number: DE19702059862
Authority: DE
Inventors: Ichiro Haga; Seiichi Tamada
Original assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Current assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Priority date: 1969-12-08
Filing date: 1970-12-04
Publication date: 1971-06-09
Also published as: DE2059862C3; DE2059862B2; US3701146A; GB1338390A

Description

Firma IWASAKI TSUSHINKI KABUSHIKI KAISHA, 1-7-41, Kugayama, Suginami-Ku, Tokyo-To, Japan

Analog-Digitalwandler unter Verwendung eines Integrators

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digitalwandler unter Verwendung eines Integrators, in welchem, nachdem das eingegebene Analogsignal durch den Integrator während einer konstanten Zeit integriert worden ist, der Eingang des Integrators auf eine Bezugsspannung übergeschaltet wird, deren Polarität entgegen der des Eingangs-Analogsignals ist, und die Zeit zwischen dem Überschaltzeitpunkt des Eingangs des Integrators bis am Ausgang des Integrators ein vorbestimmter Bezugspegel erreicht wird, wird durch Zähltaktimpulse gemessen, so daß das Zählergebnis dem Analogwert des Eingangs des Analog-Digitalkonverters entspricht.

Bei einem üblichen Analog-Digitalwandler dieser Art

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wird eine Eingangsspannung Ei einem Integrator in Abhängigkeit von der voranlaufenden Kante eines Rechteck-Steuersignals zugeführt, so daß der Ausgang des Integrators proportional dieser Eingangsspannung Ei variiert. Die Eingangsspannung Ei wird während einer konstanten Zeitspanne T integriert von einem Zeitpunkt an, in dem am Ausgang des Integrators ein Schwellwert eines !Comparators erreicht worden ist. Diese Integrierzeit T ist eine genaue Zeitspanne, die durch Abzählen einer Anzahl (z.B. 1000) von Taktimpulsen eingehalten wird,welche von einem Oszillator mit konstanter Frequenz über ein Zählwerk zugeführt werden.

t Nach dieser konstanten Zeitspanne T wird der Eingang des Inegrators auf eine Bezugsspannung Es übergeschaltet, was mit Hilfe der nachlaufenden Kante eines Rechteck-Steuersignals erfolgt, so daß die Ausgangsgröße des Integrators sich nun in umgekehrter Richtung wie in der Zeitspanne T ändert. Der Abfall oder die Steigung dieser Änderung des Ausgangswertes des Integrators ist proportional der Bezugsspannung Es. Die Zeit Ti vom Schaltaugenblick des Eingangs des Integrators an bis zu einem Zeitpunkt, an welchem am Ausgang des Integrators wiederum ein Schwellwert des !Comparators auftritt, wird durch Abzählen von Taktimpulsen mit Hilfe eines während der Zeitspanne Ti zählenden Zählwerkes bestimmt. Eine umgewandelte Ausgangsgröße wird in Abhängigkeit von diesem Zählergebnis dann erzeugt. Die Zeit Ti ist proportional der Ein-

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Hf 1 1 Iff N

gangsspannung Ei, und die oben angegebenen Werte Ei, Es, T und Ti haben die folgende Beziehung: (Ei/RC) T = (Es/RC) Ti, wobei der Wert RC eine Zeitkonstante des Integrators ist. Aus dieser Beziehung kann die Eingangsspannung Ei in folgender Weise bestimmt werden: Ei « Ti/T) Es = k.Ti. "k" ist darin eine Konstante. Die Eingangsspannung Ei kann also durch ein Produkt der Zeit Ti mit einer Konstanten angegeben werden, wenn die Zeitspanne T und die Bezugsspannung Es ' Konstante sind. Aus der Gleichung (1) ergibt sich, daß, wenn ein einziger Integrator und ein einziger Taktimpulszug sowohl für den Aufladevorgang als auch für den Entladevorgang verwendet werden, Veränderungen der Zeitkonstante RC des Integrators und geringfügige Schwankungen der Folgefrequenz der Taktimpulse ausgeglichen werden.

Andererseits erzeugen der Eingangsspannung Ei überlagerte Rauschspannungen Fehler in der umgesetzten Ausgangs- | größe. Fehler, die lediglieh durch periodisch auftretende Rauschspannungen erzeugt werden, können durch Bestimmung der Zeitspanne T derart, daß sie ein ganzes Vielfaches der Periode der periodisch auftretenden Rauschspannung ist, ausgeschaltet werden, wie weiter unten erläutert wird. Wenn die Wiederkehrfrequenz der Taktimpulse f ist, dann ist die Zeit-

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spanne T folgendermaßen anzugeben: T = (1/f.) N, worin N eine Zahl ist, die der Zahl der Taktimpulse entspricht. Wenn in diesem Fall die Folgefrequenz der überlagerten Störspannung Über dem Eingangssignal Ei mit f bezeichnet wird, dann kann der durch die Störspannung eingeführte Fehler ausgeschaltet werden, wenn folgende Beziehung erfüllt wird: (1/f ) K = T, worin K eine ganzzahlige Größe ist. Es können jedoch nur Fehler ausgeschaltet werden, die durch Rauschspannungen einer bestimmten Folgefrequenz entstehen, so daß es sehr schwer ist, die gewünschte stabile Arbeitsweise zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Analog-Digitalwandler zu schaffen, in welchem die Auswirkungen von jeglichen periodisch auftretenden Störspannungen, die der Eingangsspannung überlagert sind, ausgeschaltet sind.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Folgefrequenz der Taktimpulse, die zum Zählen der Aufladezeit und der Entladezeit in dem Analog-Digitalwandler benutzt werden, so bemessen, daß sie variabel ist, während die Folgefrequenz der Taktimpulse in einem herkömmlichen Analog-Digitalwandler konstant ist.

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Die Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden Beschreibung und einigen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen klar. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein Impils-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Figur 1 darges t eilten Anordnung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispieles;

Fig. 4 Impuls-Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispieles;

Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur j3 verwendeten !Comparators.

Das in Figur 1 gezeigte AusfUhrungsbelsplel der Erfindung enthält im Integrator 1 einen Schalter S, einen Widerstand 1-1, einen Gleichspannungsverstärker 1-2 und einen Kondensator 1-3* dem ein Komparator 2, ein Steuerkreis 3» ein UND-Gatter 5 und ein Zähler 6 nachgeschaltet sind, die sämtlich die gleichen sind wie bei einem herkömmlichen Analog-Digltalwandler. Es ist jedoch ein variabler Frequenzoszillator 4 vorgesehen anstatt des konstanten Frequenzoszillators herkömmlicher Analog-Digitalwandler. Außerdem ist neu ein Speicher 7, ein Komparator

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8 und ein variabler Spannungsgenerator 9 vorgesehen. Diese Schaltkreise werden unten noch im Zusammenhang mit den Impuls-Zeitdiagrammen der Figur 2 beschrieben. Der variable Frequenzoszillator 4 erzeugt einen Impulszug Wg, dessen' Impulsfolge entsprechend den Veränderungen einer Ausgangsspannung w,, des variablen Spannungsgenerators 9 sich ändert. Ist somit die Aus gangs spannung w,., des variablen Spannungsgenerators 9 konstant, so haben die Taktimpulse Wg eine konstante Folgefrequenz, die von dem variablen Frequenzoszillator 4 erzeugt werden. Dieser variable Frequenzoszillator 4 ist beispielsweise ein Oszillator mit einer Diode mit variabler Kapazität oder mit einem astabilen Multivibrator, dessen Quellenspannung gesteuert wird.

Der Speicher 7 speichert das Zählergebnis des Zählers 6 in Abhängigkeit von einem Steuersignal w^ und gibt ™ seinen Ausgangswert an den Komparator 8 ab.

Der Komparator 8 vergleicht den gespeicherten Inhalt des Speichers 7 mit dem Zählergebnis des Zählers 6 auf ein Steuersignal w,q hin und erzeugt einen Ausgangswert ^n* den er dem variablen Spannungsgenerator 9 zuführt, wenn die beiden Eingangswerte am Komparator 8 voneinander abweichen.

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Der variable Spannungsgenerator 9 erzeugt einen Ausgangswert w,.,, der in seiner Höhe abhängig vom Ausgang W₁₁ des !Comparators 8 variiert. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung W₁-, erhöht sich stufenweise um jeweils eine Spannungsstufe bei jedem Impuls des Ausgangswertes W₁₁ des !Comparators 8 und kehrt auf ihren Ausgangs-Spannungswert zurück, wenn der Ausgang W₁, eine vörbestimmte Spannung erreicht. Ein Ausführungsbeispiel . für diesen variablen Spannungsgenerator 9 ist ein Stufengenerator (sog. staircase-Generator). Die Arbeitsweise dieses AusfUhrungsbeispieles nach der Erfindung ist nun folgende: die Integration einer Eingangsspannung Ei und einer Bezugsspannung E erfolgt im Integrator 1 in einer Weise, wie sie auch von den herkömmlichen Analog-Digitalwandlern vorgenommen wird. Es wird nun angenommen, daß das gemessene Ergebnis während einer Zeitspanne I im Speicher 7 gespeichert ist und daß der Variable Prequenzoszillator 4 Taktimpulse mit einer Folgefrequenz f erzeugt. Auf ein Steuersignal w, hin beginnt die Messung der i nächsten Periode II. Der Ausgangswert W₅ des Komparators 2 wechselt im Augenblick ty wenn ein Ausgang W^ des Integrators 1 einen Schwellwert L₁ des Komparators 2 erreicht. Der gewechselte Ausgangswert des Komparators 2 geht im Zeitpunkt t« auf den ursprünglichen Spannungswert zurück, welcher um eine Zeltspanne T + Ti auf den Augenblick t* folgt, so daß das Zählen der Taktimpulse Wg durch den Zähler 6 in diesem Zeitpunkt

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t₂ beendet ist. In diesem Zustand wird das Meßergebnis aus der Periode I, das im Speicher 7 gespeichert ist, im Komparator 8 mit dem Meßergebnis der Periode 2 verglichen, welches vom Zähler 6 erhalten wird. Weichen diese zwei Werte voneinander ab, so erzeugt der Komparator 8 einen Impuls w·,,. In Abhängigkeit von diesem Impuls w.,, erhöht sich die Ausgangsspannung w,, des variablen Spannungsgenerators 9· Da diese Spannung w,, dem variablen Prequenzoszillator 4 zugeführt wird, verändert sich die Frequenz fp der Taktimpulse Wg des variablen Frequenzoszillators 4 auf eine Frequenz f, in Abhängigkeit von der Spannungserhöhung des Ausgangs w,-* des variablen Spannungsgenerators 9· Sind jedoch die beiden Eingangswerte am Komparator 8 einander gleich, so wi)Srd vom Komparator 8 kein Ausgangswert abgegeben, so daß die Folgefrequenz der Taktimpulse Wg nicht verändert wird.

P Nach einer Veränderung der Folgefrequeaz,„der Taktim-r

pulse W/- von einer Frequenz f_o auf die Frequenz .f-wi,^ die Messung der Periode III begonnen. Da die Zeit T,_t .in, der die

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Eingangsspannung Ei integriert wird, duroh die Zahl der Taktimpulse w, bestimmt wird, (z.B. 1000 Impulse) ändert sich in diesem Fall auch die Länge der Zeitspanne T. Diese Messungen werden wiederholt, bis stabile Bedingungen erreicht sind, in

..... -■ ■ ·.■ ■■..- 9 109824/1789

weichen, 'das Meßergebnis einer vorangehenden Periode mit dem Heßergebnis der unmittelbar folgenden Periode gleich ist.

Mit anderen Worten, die Folgefrequenz der Taktimpulse Wg ändert sich, bis stabile Bedingungen erreicht sind, und bei diesen stabilen Bedingungen ist die Gleichung 5 erfüllt, so daß die der Eingangsspannung überlagerten periodischen

Rauschspannungen vollständig eliminiert sind. t

In den Figuren 3, 4 und 5 ist ein weiteren Ausfüh-

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rungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es wrden hier nur die Schaltkreisteile beschrieben, die von dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 abweichen. Hier wandelt ein Komparator 8a das Zänlergebnis oder einen Teil des Zählergebnisses des Zählers 6 in ein Analogsignal um und vergleicht dieses umgewandelte Analogsignal mit einem Analogsignal, das aus aem Inhalt de® Speichers 7 umgewandelt wird, so da£ ein ©Ifferenzsignal ^gg._a einem Impulsgenerator zugeführt wird. Eis mägliöhesi lusfiöirungsbeispiel des !Comparators 8a enthält, wie es die Figur 5 zeigt, einen Digital-Analogwandler 8-1, der das Zählergebnis des Zählers 6 in ein Analogsignal umwandelt, einen Digital-Analogwandler 8-2, der den Inhalt des Speichers 7 in ein Analogsignal umwandelt, und einen Differenzialverstärker 8-3, dem eine mögliche Differenz zwischen den Auagangewerten der Digital-Analogwandler 8-1 und 8-2 zugeführt wird. Der Komparator 8a kann ein subtranlerender

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Komparator sein, der eine digitale Differenz zwischen den Ausgängen des Zählers 6 und des Speichers 7 erhält, wobei ein Digital-Analogwandler dem subtrahierenden Komparator nachgeschaltet ist und die Differenz in ein Analogsignal umwandelt, das eine Polarität aufweist, die dem Vorzeichen der Digitaldifferenz entspricht, und eine Größe, die abhängig ist vom Absolutwert der Digitaldifferenz. Der Impulsgenerator 10 erzeugt einen Impuls W₁,- mit derselben Polarität wie der Ausgangswert W_{1 la} des !Comparators 8a, wobei der Spitzenwert dieses Impulses proportional der Größe des Ausgangswertes w,,_a des !Comparators 8a ist. Der Impulsgenerator 10,kann beispielsweise ein Zerhacker sein. Die anderen Schaltkreis-Elemente sind dieselben wie bei dem in Figur 1 dargestellten Beispiel. Während des Betriebes nimmt der Ausgang w_lla des !Comparators 8a einen Wert L₂ (z.B. Mill) an, wenn sich die beiden Eingangswerte des Komparators gleichen. Im {übrigen kann die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeiispiels analog derjenigen des Ausführungsbeispieles nach Figur 1 verstanden werden« so daß sich weitere Ausführungen erübrigen.

Die gewünschte Analog-Digltalumwandlung kann also gemäß der Aufgabe der Erfindung durchgeführt werden, ohne daß in den Eingangswerten des zu integrierenden Signals ent-

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haltene Rauschspannungen Einfluß gewinnen können. Außerdem kann schnell sowohl von zu langen als auch von zu kurzen Integrationszeiten eine optimale Integrationszeit erreicht wer den.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

ί) Analog-Digitalwandler, in welchem nach Integration eines Eingangsanalogsignals durch einen Integrator während einer konstanten Zeitspanne der Eingang des Integrators auf eine Bezugsspannung übergeschaltet wird, deren Polarität derjenigen des Eingangsanalogsignals entgegengerichtet ist, und in welchem die Zeitspanne vom Überschaltzeitpunkt des Eingangs des Integrators bis zu dem Zeitpunkt, in welchem der Ausgang des Integrators einen vorbestimmten Wert erreicht hat, durch Taktzählimpulse gemessen wird, so daß das Zählergebnis dem Analogwert des Eingangsanalog-Digitalwandlers entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktimpulse(w^) durch einen variablen Frequenzoszillator(4) erzeugt werden und der Wandler einen Speicher (7) zum Speichern des Zählergebnisses eines Zählers (6) aufweist bis zum unmittelbar folgenden Z lvorgang der Taktimpulse, ferner einen Komparator (8; 8a) zum Vergleich des im Speicher (7) gespeicherten Zählergebnisses mit dem Zählergebnis des Zählers (6), sowie einen variablen Spannungsgenerator (9), der einen Ausgangswert Cw₁-,) erzeugt, welcher sich in seiner Größe stufenweise um eine Stufe in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis des !Comparators ändert, so daß die Polgefrequenz der Taktimpulse (w^) durch den Ausgangswert (W₁,) des variablen Spannungsgenerators (9) so lange verändert

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wird, bis die zwei Eingangswerte am Komparator (8)(8a) einander gleich sind, wodurch die Auswirkungen von der Eingangsspannung überlagerten Störspannungen beliebiger Folgefrequenz wirksam ausgeschaltet sind.
2. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8) einen Impuls (W₁₁) nur dann erzeugt, wenn die zwei Eingangswerte voneinander abweichen, so daß der Ausgang (w^) des variablen Spannungsgenera tors (9) sich um eine Stufe in Abhängigkeit vom Impuls (W₁₁) des Komparators (8) ändert und die Stufenkurve auf ihren Ausgangswert zurückkehrt, nachdem sie einen vorbestimmten Wert erreicht hat (Figur 1).
3. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8a) ein Differenzsignal (W₁₁ ) mit einer Polarität erzeugt, die vom Vorzeichen der Digitaldifferenz zwischen den beiden Eingangswerten des Komparators (8a) abhängt, und daß ein Impulsgenerator (10) zur Erzeugung eines Impulses (^₁ j~) vorgesehen ist, dessen Polarität von der Polarität des Differenzsignals (W_1la) abhingt, wobei der ImpOls (W₁c) dem variablen Spannungsgenerator (9) zugeführt wird (Figur J>).

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4. Analog-Digitalwandler nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8a) einen ersten Digital-Analogwandler (8-1) aufweist, der das Zählergebnis des Zählers (6) in ein erstes Analogsignal mit einem Pegelwert umwandelt, der dem Zählergebnis des Zählers (6) entspricht, einen zweiten Digital-Analogwandler (8-2), der den gespeicherten Inahalt eines Speichers (7) in ein zweites Analogsignal umwandelt, dessen Pegelwert dem gespeicherten Inhalt des Speichers (7) entspricht, und ein Differentialverstärker (8-3) vorhanden ist, der ein Analogsignal mit einer Polarität erzeugt, die der Polarität der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Analogsignal entspricht (Figur 5)·

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