DE2059862C3 - Analog Digitalwandler und Verwendung eines Integrators - Google Patents

Description

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 sie ein ganzes Vielfaches der Periode der periodisch auftretenden Rauschspannung ist, ausgeschaltet werden, wie weiter unten erläutert wird. Wenn die Wiederkehrf requenz der Taktimpulse /_f ist, dann ist die Zeitspanne T folgendermaßen anzugeben: T- (1//,.) N, worin N eine Zahl ist, die der Zahl der Taktimpulse entspricht. Wenn in diesem Fall die Folgefioquenz der überlagerten Störspannung über dem Eingangssignal Ei mit J_n bezeichnet wird, dann kann der durch die Störspannung eingeführte Fehler ausgeschaltet werden, wenn folgende Gleichung (3) erfüii! wird: (IZf_n) K=T, worin K eine ganzzaTilige Größe ist. Es können jedoch nur Fehler ausgeschaltet ao 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 Analog-Digitalwandler der eingangs genannten Art zu »5 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, dereinen 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 überlagerten 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 also so bemessen, daß sie variabel ist, während die Folgefrequenz der Taktimpulse in einem herkömmlichen Analog-Digitalwandler konstant ht.

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-Zettdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispieles,

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

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

Das in Fig. 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 variabler Frequenzuszillator 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-Zeitdiagrammtn der Fig. 2 beschrieben. Der variable Frequenzoszillator 4 erzeugt einen impulszug u>₆, dessen Impulsfolge entsprechend den Ve änderungen einer Ausgangsspannung W₁₁ des variablen Spannungsgenerators 9 sich ändert. 1st somit die Ausgangsspannung W¹J₃ des variablen Spannungsgenerators 9 konstant, so haben die Taktirnpulse w_ft 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 K₁₂ 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 W₁₁₁ hin und erzeugt einen Ausgangswert W₁₁, den er dem variablen Spannungsgenerator 9 zuführt, wenn die beiden Eingangswerte am Komparator 8 voneinander abweichen.

Der variable Spannungsgenerator 9 erzeugt einen Ausgangswert w_u, der in seiner Höhe abhängig vom Ausgang W₁, des Komparators 8 variiert. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung W₁₃ erhöht sich stufenweise um jeweils eine Spannungsstufe bei jedem Impuls des Ausgangswertes W₁₁ des Komparators 8 und kehrt auf ihren Ausgangs-Spannungswert zurück, wenn der Ausgang W₁₃ eine vorbestimmte Spannung erreicht. Ein Ausführungsbeispiel für diesen variablen Spannungsgenerator 9 ist ein Stufengenerator. Die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispieles nach der Erfindung ist nun folgende: die Integration einer Eingangsspannung Ei und einer Bezugsipannung 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 S₁ erzeugt. Auf ein Steuersignal w, hin beginnt die Messung Jer nächsten Periode II. Der Ausgangswert W₅ des Kornparators 2 wechselt im Augenblick /, wenn ein Ausgang w₄ des Integrators 1 einen Schwellwert L₁ 1 des Komparators 2 erreicht. Der gewechselte Ausgangswert des Komparators 2 geht im Zeitpunkt I₂ auf den ursprünglichen Spannungswert zurück, welcher um eine Zeitspanne T+ Ti auf den Augenblick r, folgt, so daß das Zählen der Taktimpulse W₆ durch den Zähler 6 in diesem Zeitpunkt /₂ beendet ist. In

diesem Zustand wird das Meßergebnis aus der Periode I, das im Speicher 7 gesneichert 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 eincii Impuls w_n. In Abhängigkeit von diesem Impuls w_w erhöht sich die Ausgangsspannung w,, des variablen Spannungsgenerators 9. Da diese Spannung w_u dem variablen Frequenzoszillator 4 zugeführt wird, verändert sich die Frequenz /₂ der Taktimpulse w_e des variablen Frequenzoszillators 4 auf eine Frequenz /, in Abhängigkeit von der Spannungserhöhung des Ausgangs W₁, des variablen Spannungsgenerators 9. Sind jedoch die beiden Eingangswertc 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 f₂ auf die Frequenz/, wird die Messung der Periode III begonnen. Da die Zeil T, in der die Eingangsspannung Ei integriert wird, durch 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 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 Fig. 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 Differenzsignal (V₁₁₀ einem Impulsgenerator zugeführt wird. Ein mögliches Ausführungsbeispiel des Komparators 8a enthält, wie es die Fig. 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

^t0 den Ausgangswerten der Digital-Analogwandler 8-1 und 8-2 zugeführt wird. Der Komparator 8o kann ein subtrahierender Komparator sein, der eine digitale Differenz zwischen den Ausgängen des Zählers 6 und des Speichers 7 erhält, wobei ein Digital-Analog-

>5 wandler 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 W₁₅ mit derselben Polarität wie der Ausgangswert W₁₁₀ des Komparators 8a, wobei der Spitzenwert dieses Impulses proportional der Größe des Ausgangswertes w_ll0 des Komparators 8o ist. Der Impulsgene-

»5 rator 1;> kann beispielsweise ein Zerhacker sein. Die anderen Schaltkreis-Elemente sind dieselben wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel. Während des Betriebes nimmt der Ausgang w_lu des Komparators 8ö einen Wert L₁₂ (z. B. Null) an, wenn sich die beiden 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.

3:5 Die gewünschte Analog-Digitalumwandlung kann also gemäß der Aufgabe der Erfindung durchgeführt werden, ohne daß in de ι 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 (4)

1 2 Π) entspricht, und ein Differentialverstärker (8-3) Patentansprüche- vorhanden ist, der ein Analogsignal mit einer Polarität erzeugt, die der Polarität der Differenz zwi-

1. Analog-Digitalwandler, in welchem nach In- sehen dem ersten und dem zweiten Analogsignal tegrationeinesEingangsanalogsignalsdurch einen 5 entspricht (Fig. 5).

Integrator während einer konstanten Zeitspanne
der Eingang des Integrators auf eine Bezugsspannung übergeschaltet wird, deren Polarität derjeni- ~

gen des Eingangsanalogsignals entgegengerichtet

ist, und in welchem die Zeitspanne vom Über- i°

schaltzeitpunkt des Eingangs des Integrators bis Die Erfindung betrifft einen Analog-Digitalwandzu dem Zeitpunkt, in welchem der Ausgang des ler, in welchem nach Integration eines Eingangsana-Integrators einen vorbestimmten Wert erreicht logsignals durch einen Integrator während einer konhat, durch Taktzählimpulse gemessen wird, so daß stanten Zeitspanne der Eingang des Integrators auf das Zählergebnis dem Analogwert des Analog- '5 eine Bezugsspannung übergeschaltet wird, deren Po-Digitalwandlers entspricht, dadurch ge- larität derjenigen des Eingangsanalogsignals entgekennzeiebnet, daß die Taktimpulse (νν₆) gengerichtet ist, und in welchem die Zeitspanne vom durch einen variablen Frequenzoszillator (4) er- Überschaltzeitpunkt des Eingangs des Integrators bis zeugt werden und der Wandler einen Speicher (7) zu dem Zeitpunkt, in welchem der Ausgang des Intezum Speichern des Zählergebnisses eines Zählers a° grators einen vorbestimmten Wert erreicht hat, durch

(6) aufweist bis zum unmittelbar folgenden Zähl- Taktzählimpulse gemessen wird, so daß das Zählervorgang der Taktimpulse, ferner einen Kompara- gebnis dem Analogwert des Analog-Digitalwandlers tor (8; 8α) zum Vergleich des im Speicher (7) ge- entspricht.

speicherten Zählergebnisses mit dem Zählergeb- Bei einem übKchen Analog-Digitalwandler dieser nis des Zählers (6), sowie einen variablen 35 Art wird eine Eingangsspannung Ei einem Integrator Spannungsgenerator (9), der einen Ausgangswert in Abhängigkeit von der voraniaufenden Kante eines (W₁₁) erzeugt, welcher sich in seiner Größe stufen- Rechteck-Steuersignals zugeführt, so daß der Ausweise um eine Stufe in Abhängigkeit vom Ver- gang des Integrators proportional dieser Eingangsgleichsergebnis des Komparators ändert, so daß spannung Ei variiert. Die Eingangsspannung Ei wird die Folgefrequenz der Taktimpulse (w₆) durch den 30 wahrend einer konstanten Zeitspanne Γ integriert Ausgangswert (w_u) des vai ablen Spnnnungsge- von einem Zeitpunkt an, in dem am Ausgang des Intenerators (9) so lange verändert wird, bis die zwei grators ein Schwellwert eines Komparators erreicht Eingangswerte am Komparator (8, 8α) einander worden ist. Diese Integrierzeit T ist eine genaue Zeitgleich sind, wodurch die Auswirkungen von der spanne, die durch Abzählen einer Anzahl (z. B. 1000) Eingangsspannung überlagerten Störspannungen 35 von Taktimpulsen eingehalten wird, welche von einem beliebiger Folgefrequenz wirksam ausgeschaltet Oszillator mit konstanter Frequenz über ein Zahlwerk sind. zugeführt werden. Nach dieser konstanten Zeit-

2. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, spanne 7 wird der Eingang des Integrators auf eine dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8) Bezugsspannung Es übergeschaltet, was; mit Hilfe der einen Impuls (w_u) nur dann erzeugt, wenn die 40 nachlaufenden Kante eines Rechteck-Steuersignals zwei Eingangswerte voneinander abweichen, so erfolgt, so daß die Ausgangsgröße des Integrators sich daß der Ausgang (w,,) des variablen Spannungs- nun in umgekehrter Richtung wie in der Zeitspanne T generators (9) sich um eine Stufe in Abhängigkeit ändert. Der Abfall oder die Steigung dieser Änderung vom Impuls (W_n) des Komparators (8) ändert und des Ausgangswertes des Integrators ist proportional cie Stufenkurve auf ihren Ausgangswert zurück- 45 der Bezugsspannung Es. Die Zeit Ti vom Schaltkehrt, nachdem sie einen vorbestimmten Wert er- augenblick des Eingangs des Integrators an bis zu eireicht hat (Fig. 1). nem Zeitpunkt, an welchem am Ausgang des Integra-

3. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, tors wiederum ein Schwellwert des Komparators dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator auftritt, wird durch Abzählen von Taktimpulsen mil (8α) ein Differenzsignal (W₁₁₀) mit einer Polarität 50 Hilfe eines während der Zeitspanne Ti zählenden erzeugt, die vom Vorzeichen der Digitaldifferenz Zählwerkes bestimmt. Eine umgewandelte Auszwischen den beiden Eingangswerten des Kompa- gangsgröße wird in Abhängigkeit von diesem Zählerrators (8a) abhängt, und daß ein Impulsgenerator gebnis dann erzeugt. Die Zeit Ti ist proportional dei (10) zur Erzeugung eines Impulses (w_l5) vorgese- Eingangsspannung Ei, und die oben angegebener hen ist, dessen Polarität von der Polarität des Dif- 55 Werte Ei, Es, Txind Ti haben die folgende Beziehung ferenzsignals (w_lu) abhängt, wobei der Impuls (Gleichung(I)): (EiIRC) T~ (EsIRC) Ti, wobeidei (W₁₅) dem variablen Spannungsgenerator (9) zu- Wert RC die Zeitkonstante des Integrators ist. Aus geführt wird (Fig. 3). dieser Beziehung kann die Eingangsspannung Ei ir

4. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 3, folgender Weise nach Gleichung (1) bestimmt werdadurch gekennzeichnet, daß der Komparator 60 den: Ei= (TUT) Es= k ■ Ti. »fc« ist darin eine Kon-(8a) einen ersten Digital-Analogwandler (8-1) stante. Die Eingangsspannung Ei kann also durch eh aufweist, der das Zählergebnis des Zählers (6) in Produkt der Zeit Ti mit einer Konstanten angegeber ein erstes Analogsignal mit einem Pegelwert um- werden, wenn die Zeitspanne T und die Bezugsspan wandelt, der dem Zählergebnis des Zählers (6) nung £5 Konstanten sind. Aus der Gleichung (1) er entspricht, einen zweiten Digital-Analogwandler 65 gibt sich, daß, wenn ein einziger Integrator und eh (8-2), der den gespeicherten Inhalt eines Speichers einziger Taktimpulszug sowohl für den Aufladevor

(7) in ein zweites Analogsignal umwandelt, dessen gang als auch für den Entladevorgang verwendet wer Pegelwert dem gespeicherten Inhalt des Speichers den, Veränderungen der Zeitkonstante RC des Inte