DE2059862B2

DE2059862B2 - Analog-digitalwandler und verwendung eines integrators

Info

Publication number: DE2059862B2
Application number: DE19702059862
Authority: DE
Inventors: Ichiro Musashino Tamada Seiichi Machoda Tokio Haga (Japan)
Original assignee: Iwasaki Tsushinki KK
Current assignee: Iwasaki Tsushinki KK
Priority date: 1969-12-08
Filing date: 1970-12-04
Publication date: 1973-05-30
Also published as: US3701146A; DE2059862C3; GB1338390A; DE2059862A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digitalwandler, in welchem nach Irtegration eines Eingangsanaiogsignals durch einen Integrator während einer konstanten Zeitspanne der Eingang des Integrators auf

eine Bezugsspannung übergeschaltet wird, deren Po larität derjenigen des Eingangsanalogsignals entgegengerichtet ist, und in welchem die Zeitspanne vom Überschaltzeitpunkt des Eingangs des Integrators hizu dem Zeitpunkt, in welchem der Ausgang des Intc-

grators einen vorbestimmten Wert erreicht hat, durch Taktzähiimpulse gemessen wird, so daß das Zähler gebnis dem Analogwert des Analog-Digitalwandlei-. entspricht.

Bei einem üblichen Analog-Digit?lwandler dieser Art wird eine Eingangsspannung Ei einem Integratoi in Abhängigkeit von der voranlaufenden Kante eine^ Rechteck-Steuersignals zugeführt, so daß der Aus gang des Integrators proportional dieser Eingangsspannung Ei variiert. Die Eingangsspannung Ei wird

während einer konstanten Zeitspanne T integrier! von einem Zeitpunkt an, in dem am Ausgang des Integrators ein Schwellwert eines Komparators erreicht worden ist. Diese Integrierzeit Tist eine genaue Zeitspanne, die durch Abzählen einer Anzahl (z. B. 1000)

von Taktimpulsen eingehalten wird, welche von einem Oszillator mit konstanter Frequen- über ein Zählw erk zugeführt werden. Nach dieser konstanten Zeitspanne T wird der Eingang des Integrators auf eine Bezugsspannung £5 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 7 ändert. Der Abfall oder die Steigung dieser Änderung des Ausgangswertes des Integrators ist proportional der Bezugsspanming 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 Komparators auttritt, 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 Eingangsspannung Ei, und die oben angegebenen Werte Ei, Es, Tund Ti haben die folgende Beziehung (Gleichung (I)): (Ei/RC) T=(EsIRC) Ti, wobei der Wert RC die Zeitkonstante des Integrators ist. Aus dieser Beziehung kann die Eingangsspannung Ei in folgender Weise nach Gleichung (1) bestimmt werden: Ei = {Ti/T) Es= k ■ Ti. »k« ist darin eine Konstante. Die Eingangsspannung Ei kann also durch ein Produkt der Zeit 77 mit einer Konstanten angegeben werden, wenn die Zeitspanne T und die Bezugsspannung Es Konstanten 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 Inte-

grators und geringfügige Schwankungen der Folgefrequenz der Taktimpulse ausgeglichen werden.

Andererseits erzeugen der Eingangsspannung Ei überlagerte Rauschspannungen Fehler in der umgesetzten Ausgangsgröße. Fehler, die lediglich durch periodisch auftretende Rauschspannungen erzeugt werden, können durch Bestimmung der Zeitspanne T derart, daß ^cie ein ganzes Vielfaches der Periode der periodisch auftretenden Rauschspannung ist, ausgeschaltet werden, wie weiter unten erläutert wird. Wenn die Wiederkehrfrequenz der Taktimpulse f_r ist, dann ist die Zeitspanne T folgendermaßen anzugeben: T= (l//_r) N, worin N eine Zahl ist, die der Zahl der Taktirnpulse entspricht. Wenn in diesem Fall die Folgefrequenz der überlagerten Störspannung über dem Eingangssignal Ei mit f_n bezeichnet wird, dann kann der durch die Störspannung eingeführte Fehler ausgeschaltet werden, wenn folgende Gleichung (3) erfüllt wird: (!//„) K=T, worin K eine ganzzahlige Größe ist. Es können jedoch nur Fehler ausgeschaltet werden, die durch Störspannungen einer bestimmten Folgefrequenz entstehen, so daß es sehr schwer ist, die gewünschte stabile Arbeitsweise zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Anak>g-Digitaiwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, in welchem die Auswirkungen von jeglichen periodisch auftretenden Störspannungen, die der Eingangsspannung überlagert sind, ausgeschaltet sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der Erfindung dadurch, daß die Taktimpulse durch einen variablen Frequenzoszillator erzeugt werden und der Wandler einen Speicher zum Speichern des Zählergebnisses eines Zählers aufweist bis zum unmittelbar folgenden Zählvorgang der Taktimpulse, ferner einen Komparator zum Vergleich des im Speicher gespeicherten Zählergebnisses mit dem Zählergebnis des Zählers, sowie einen variablen Spannungsgenerator, der einen Ausgangswert erzeugt, welcher sich in seiner Größe stufenweise um eine Stufe in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis des Komparators ändert, so daß die Folgefrequenz der Taktimpulse durch den Ausgangswert des variablen Spannungsgenerators so lange verändert wird, bis die zwei Eingangswerte am Komparator einander gleich sind, wodurch die Auswirkungen von der Eingangsspannung übsrlagerten Störspannungen beliebiger Folgefrequenz wirksam ausgeschaltet sind.

Die Folgefrequenz der Taktimpulse, die zum Zählen der Aufladezeit und der Entladezeit in dem Analog-Digitalwandler benutzt werden, wird aiso so bemessen, daß si··; variabel ist, während die Folgefrequenz der Taktimpulse in einem herkömmlichen Analog-Digitalwandler konstant ist.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Impuls-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,

Fig. 3 ein Block·,«.haltbild eines anderen Ausführungsbeispieles,

Fig. 4 Impuls-Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des in F1 g. 3 gezeigten Ausführungsbeispieles,

F i g. 5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 verwendeten Komparators.

Das in F i g. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel 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-Digitalwandler. Es ist jedoch ein variablei Frequenzoszillator 4 vorgesehen anstatt des konstanten Frequenzoszillators herkömmlicher Analog-Digitalwandler. Außerdem ist neu ein Speicher 7, ein Komparator 8 und ein variabler Spannungsgenerator 9 vorgesehen. Diese Schaltkreise werden unten noch im Zusammenhang mit den Impuls-Zeitdiagrammen der Fig. 2 beschrieben. Der variable Frequenzoszillator 4 erzeugt einen Impulszug tv„, dessen Impulsfolge entsprechend c/n Veränderungen einer Ausgangsspannung w_]} des vaiiablen Spannungsgenerators 9 sich ändert. Ist somit die Ausgangsspannung iv,, des variablen Spannungsgenerators 9 konstant, so haben die Taktimpulse >v_b 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 »v_i: 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 iv,„ hin und erzeugt einen Ausgangswert iv,.. den er dem variablen Spannungsgenerator 9 zuführt, wenn die beiden Eingangswerte am Komparator 8 voneinander abweichen.

Der variable Spannungsgenerator 9 erzeugt einen Ausgangswert ve,,, der in seiner Höhe abhängig vom Ausgang w_u des Komparators 8 variiert. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung tv,, erhöht sich stufenweise um jeweils eine Spannungsstufe bei jedem Impuls des Ausgangswertes tv,, des Komparators 8 und kehrt auf ihren Ausgangs-Spannungswert zurück, wenn der Ausgang tv,_, eine vorbestimmte Spannung erreicht. Ein Ausführungsbeispiel für diesen variablen Spannungsgenerptor 9 ist ein Stufengenerator. Die \rbeitsweise dieses Ausführungsbeispieles 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 Frequenzoszillator 4 Taktimpulse mit einer Folgefrequenz/, erzeugt. Auf ein Steuersignal tv, hin beginnt die Messung der nächsten Periode II. Der Ausgangswert Vf₅ des Kjmparators 2 wechselt im Augenblick /, wenn ein Ausgang tv₄ des Integrators 1 einen Schwellwert L₁ 1 des Komparators 2 erreicht. Der gewechselte Ausgangswert des Komparators 2 geht im Zeitpunkt r, auf den ursprünglichen Spannungswert zurück, welcher um eine Zeitspanne T+ Ti auf den Augenblick r, folgt, so daß das Zählen der Taktimpulse u·,, durch den Zähler 6 in diesem Zeitpunkt /·, 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 uiese zwei Werte voneinander ab, so erzeugt der Komparator 8 einen Impuls W₁₁. In Abhängigkeit von diesem Impuls W₁₁ erhöht sich die Ausgangsspannung W₁₃ des variablen Spannungsgenerators 9. Da diese Spannung W₁₃ dem variablen Frequenzoszillator 4 zugeführt wird, verändert sich die Frequenz /₂ der Taktimpulse W₆ des variablen Frequenzoszillators 4 auf eine Frequenz/3 ^m Abhängigkeit von der Spannungserhöhung des Ausgangs W₁₃ des variablen Spannungsgenerators 9. Sind jedoch die beiden Eingangswerte am Komparator 8 einander gleich, so wird vom Komparator 8 kein Ausgangswert abgegeben, so daß die Folgefrequenz der Taktimpulse w₆ nicht verändert wird.

Nach einer Veränderung der Folgefrequenz der Taktimpulse W₆ von einer Frequenz /₂ auf die Frequenz/3 ^w'^r£* die Messung der Periode III begonnen. Da die Zeit T, in der die Eingangsspannung Ei integriert wird, durch die Zahl der Taktimpulse W₃ 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 welchen das Meßergebnis einer vorangehenden Periode mit dem Meßergebnis der unmittelbar folgenden Periode gleich ist. Mit anderen Worten, die Folgefrequenz der Taktimpulse w₆ ändert sich, bis stabile Bedingungen erreicht sind, und bei diesen stabilen Bedingungen ist die Gleichung 3 erfüllt, so daß die der Eingangsspannung überlagerten periodischen Rauschspannungen vollständig eliminiert sind.

In den F i g. 3,4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es werden hier nur die Schaltkreisteile beschrieben, die von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 abweichen. Hier wandelt ein Komparator 8a das Zählergebnis oder einen Teil des Zählergebnisses des Zählers 6 in ein Analogsignal um und vergleicht dieses umgewandelte Analogsignal mit einem Analogsignal, das aus dem Inhalt des Speichers 7 umgewandelt wird, so daß ein Differenzsigna Vf₁₁₀ einem Impulsgenerator zugeführt wird. Ein mög liches Ausführungsbeispiel des Komparators Sa ent hält, wie es die Fig. 5 zeigt, einen Digital-Analog wandler 8-1, der das Zählergebnis des Zählers 6 ii ein Analogsignal umwandelt, einen Digital-Analog wandler 8-2, der den Inhalt des Speichers 7 in eir Analogsignal umwandelt, und einen Differenzialver stärker 8-3, dem eine mögliche Differenz zwischer den Ausgangswerten der Digital-Analogwandler 8-1 und 8-2 zugeführt wird. Der Komparator 8α kann eir subtrahierender Komparator sein, der eine digitale Differenz zwischen den Ausgängen des Zählers 6 unc des Speichers 7 erhält, wobei ein Digital-Analog·

¹S wandler dem subtrahierenden Komparator nachge schaltet ist und die Differenz in ein Analogsignal umwandelt, das eine Polarität aufweist, die derr Vorzeichen der Digitaldifferenz entspricht, und eint Größe, die abhängig ist vom Absolutwert der Digital-

^a° differenz. Der Impulsgenerator 10 erzeugt einen Impuls w₁₅ mit derselben Polarität wie der Ausgangswen w, _u des Komparators 8a, wobei der Spitzenwert dieses Impulses proportional der Größe des Ausgangswertes w_iu des Komparators 8e ist. Der Impulsgene-

^a5 rator 10 '.fann beispielsweise ein Zerhacker sein. Die anderen Schaltkreis-Elemente sind dieselben wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel. Während des Betriebes nimmt der Ausgang W₁₁₀ des Komparators 8a einen Wert L₁₂ (z. B. Null) an, wenn sich die beiden

3» Eingangswerte des Komparators gleichen. Im übrigen kann die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels analog derjenigen des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 verstanden werden, so daß sich weitere Ausführungen erübrigen.

Die gewünschte Analog-Digitalumwandlung kann also gemäß der Aufgabe der Erfindung durchgeführt werden, ohne daß in den Eingangswerten des zu integrierenden Signals enthaltene Rauschspannungen Einfluß gewinnen können. Außerdem kann schnell sowohl von zu langen als auch von zu kurzen Integrationszeiten eine optimale Integrationszeit erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Analog-Digitalwandler, in welchem nach Integration eines Eingangsanalogsignals durch einen Integrator während einer konstanten Zeitspanne eier Eingang des Integrators auf eine Bezugsspannung iibergeschaltet 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 Zählergebrls dem Analogwert des Analog-Digitalwandlers entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktimpulse (>v₆) ihirch einen \ariablen Frequenzoszillator (4) erzeugt werden und der Wandler einen Speicher (7) zum Speichern des Zählergebnisses eines Zählers

(6) aufweist bis zum unmittelbar folgenden Zählvorgang der Taktimpulse, ferner einen Komparator (8; 8α) zum Vergleich de;, im Speicher (7) gespeicherten Zählergebnisses mit dem Zählergebnis des Zählers (6), sowie einen variablen Spannungsgenerator (9), der einen Ausgangswert (W₁₃) erzeugt, welcher sich in seiner Größe stufenweise um eine Stufe in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis des Komparators ändert, so daß die Folgefrequenz der Taktimp^lse (w₆) durch den Ausgangswert (>v₁₃) des variablen Spannungsgenerators (9) so lange verändert vird, bis die zwei Eingangswerte am Komparator (8, 8α) 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 ((V_n) nur dann erzeugt, wenn die zwei Eingangswerte voneinander abweichen, so daß der Ausgang ((V₁₃) des variablen Spannungsgenerators (9) jich um eine Stufe in Abhängigkeit vom Impuls ((V₁₁) des Komparators (8) ändert und die Stufenkurve auf ihren Ausgangswert zurückkehrt, nachdem sie einen vorbestimmten Wert erreicht hat (Fig. 1).

3. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8α) ein Differenzsignal ((V_11n) mit einer Polarität erzeugt, die vom Vorzeichen der Digitaldifferenz zwischen den beiden Fingangswerten des Komparators (8a) abhängt, und daß ein Impulsgenerator (10) zur Erzeugung eines Impulses (w₁₅) vorgesehen ist, dessen Polarität von der Polarität des Differenzsignals ((V|_la) abhängt, wobei der Impuls (u'₁₅) dem variablen Spannungsgenerator (9) zugeführt wird (Fig. 3).

4. Analog-Digitalwa.idler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8α) 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 Inhalt 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 Analogsigna! entspricht (Fig. 5).