DE2108279A1 - Analog Digital Umsetzer - Google Patents

Description

• Analog-Digital-Umsetser Die Erfindung befaßt sich mit Umsetzern zum Digitieren von Analogsignalen, die entweder von einer Spannung oder von einem Strom repräsentiert sind. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit solchen Umsetzern, welche zum Digitieren von Analogsignalen benutzt werden sollen, die sich in einem Bereich ändern, der größer ist als looo : 1, wobei es aber nicht erforderlich ist, große Signale mit der gleichen Genauigkeit aufzulösen, wie sie für kleine Signale verlangt wird.
• Die vorliegende Erfindung schlägt einen Umsetzer der obengenannten Art vor, der einen gleitenden Binärausgang hat.
• In der Dezimalrechnung unterscheiden sich Zahlen, welche aus denselben Ziffern bestehen, wie z.B. für 156 die Zahlen 1.56, o.ol56, 156 und 15600, nur durch die Stelle des Dezimalpunkts (abgesehen von den Nullen). Solche Zahlen können dargestellt werden durch a x lob, wobei a in dem oben erwähnten Beispiel 1.56 ist. In ähnlicher Weise können Zahlen im Binäreode durch n x 2m dargestellt werden, wobei sowohl m als auch n Binärzahlen sind und n die Mantisse und m der Exponent heißen.
• Ein Umsetzer gemaß der Erfindung kennzeichnet sich durch eine Anordnung, mit deren Hilfe ein zu digitierendes Analogeingangssignal um Betrage verstärkt bzw. abgeschwächt wird, die sich nach aufeinander folgenden Zweierpotenzen ändern, durch eine Anordnung zum Digitieren des verstärkten bzw. abgeschwächten Signales zur Erzeugung einer Mantisse, und durch ein Anzeige- oder Aufzeichnungsgerät für diejenige Zweierpotenz, durch welche das Eingangssignal so verstärkt bzw. abgeschwächt wird, daß sich ein Exponent oder ein Kehrwert desselben ergibt.
• Bei einer Ausführungsform weist ein Umsetzer nach der Erfindung einen Komparator auf, mit dessen Hilfe aufeinanderfolgende, verstärkte oder abgeschwächte Werte des Eingangsanalogsignals mit einem Bezugssignal verglichen werden, sowie eine Anordnung, mit deren Hilfe diejenige Zweierpotenz gemessen wird, um welche das Eingangs signal dann verstärkt oder abgeschwächt. worden ist, wenn es einen sich dem Bezugssignal eng annähernden Wert ereicht hat, und eine Anordnung zum Digitieren dieses Werts des verstärkten oder abgeschwächten Signals.
• Das Digitieren kann mittels eines binären ilultibit-Digitalanalogumsetzerteils und eines Komparators bewerkstelligt werden, welcher das verstärkte oder abgeschwächte Signal mit einem Signal vergleicht, das ein Analogon des im Binärcode wiedergegebenen Digitalbetrages ist, wobei der Ausgang des Komparators Null (oder Eins) ist, wenn das Ausgangssignal kleiner ist als das Eingangssignal, und auf Eins (oder Null) umschaltet, wenn das Ausgangssignal größer ist als das Eingangssignal. Alternativ kann der Komparator auf verschiedene Ausgänge umschalten, und zwar in Abhängigkeit davon, ob das eine Signal kleiner oder größer ist als das andere.
• Der Umsetzerteil kann ein Zähler sein und Impulse zählen, bis das Ausgangssignal den Umsetzer veranlaßt umzuschalten, wobei die Impulse außerdem von einem Binärzähler gezählt werden, aber er arbeitet normalerweise mit schrittweiser Annäherung, wobei die Bits, beginnend mit dem signifikantesten, nacheinander geschaltet werden, und zwar so, daß sie angeschaltet bleiben oder wieder abgeschaltet werden, bis die zum Umschalten des Komparators erforderliche Kombination geschalteter Bits erreicht ist.
• Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der anliegenden-Zeichnung dargestellt ist, welche in einem Blockschaltdiagramm einen Umsetzer zum Digitieren von Analogsignalen gemäß der Erfindung zeigt.
• Der Umsetzer weist einen Verstärker 1 auf, dem über Eingangs leitungen 2 ein Analogeinganns signal zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers wird einem lo-Bit-Analogdigitalumsetzer 3 und einem Komparator 4 zugeführt. Dem Komparator 4 wird außerdem eine Bezugsspannung 5 zugeführt, und der Ausgang des Komparators 4 wird einem logischen Kreis 6 zugeleitet. Der Ausgang des logischen Kreises 6 wird über ein von einem Takt geber 8 gepulstes Tor 7 einem Binärzähler 9 zugeführt, dessen vier Ausgangsleitungen a, b, c und d an einen Decoder 10 angeschlossen sind, welcher mit elf Ausgangsleitungen e, f, £,.. .0 über Schalter 12 mit dem Verstärker 1 verbunden ist.
• Der Verstärker 1 weist einen variablen Rückkopplungswiderstandskreis auf, der progressiv und automatisch von dem Decoder lo, und von dem durch den Taktgeber 8 gesteuerten Zähler 9 so geschaltet wird, daß das Verstärkungsmaß des Verstärkers 1 schrittweise um den Faktor zwei zunimmt. Dieser schrittweise Zuwachs im Verstärkungsmaß des Verstärkers 1 hält an, bis der Ausgang des Verstärkers 1 größer wird als die feste Bezugsspannung, zu welchem Zeitpunkt der Komparator von einem niedrigen auf ein hohes Niveau umschaltet.
• Dieses Umschalten im Ausgang des Komparators 4 wird von dem logischen Kreis 6 besorgt, der das Tor 7 so steuert, daß keine weiteren Impulse aus dem Taktgeber 8 in den Zähler 9 gegeben werden. Dabei wird diejenige Zweierpotenz, für welche die Verstärkung dahingehend vergrößert worden st, daß der Verstärkerausgang größer wird als die Bezugsspannung, im Decoder lo festgehalten, und dies ist der Exponent. Die Mantisse wird von dem Analog-Digital-Umsetzer 3 gelesen, dem der Ausgang des Verstärkers zugeführt wird.
• Bei den beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiel beträgt die Bezugsspannung 5 etwas weniger als fünf Volt, wobei zehn Volt das Maximum für das Analogeingangssignal sind, das aufgenommen werden kann, und gleichzeitig das volle Aufnahmevermögen des Mantissen-Umsetzers 3. Die Maximalverstärkung des Verstärkers 1 beträgt 210, und ein Tor 13 sorgt dafür daß, wenn das Analogeingangssignal mit 210 verstärkt wird ohne daß der Komparator umschaltet, der logische Kreis das Tor 7 schaltet um zu verhindern, daß weitere Impulse vom Taktgeber 8 zugeführt werden. Der Ausgang vom Zähler 9 hat Binärform, wobei das Signal in der Leitung a die 23-Komponente ist, das in der Leitung b die 22-Komponente, das in der Leitung c die 21-Komponente und das in der Leitung d die 20-Komponente. Das Tor 13 ist mit den Leitungen a und c verbunden, weil zehn (im Dezimalsystem) binär durch 1 in der Leitung a und durch 1 in der Leitung c repräsentiert wird. Die Ausgangsleitungen e bis o des Decoders 1o übertragen geeignete Instruktionen für Verstärkungsmaßänderungen des Verstärkers 1, wobei in der Leitung e ein einer Verstärkung von 20 (Einheiten) entsprechendes Signal erscheint, in der Leitung f ein einer Verstärkung von 21 entsprechendes Signal, und so weiter bis zur Leitung o mit einem der Maximalverstärkung von 2 entsprechendem Signal.
• Der Kreis weist außerdem einen Zeitgeber 14 auf, welcher den Umsetzer 3 anweist, das verstärkte Analogsignal dezimal umzusetzen, und zwar im richtigen Zeittakt, nachdem der Verstärkungswechsel mit dem daraus resultierenden Umschalten des Komparators 4 stattgefunden hat; in eine Leitung 15 wird ein Startsignal gegeben, um den Zähler 9 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eingangsanalogsignalen auf Null zurAckzuschalten, und um den Zeitgeber 14 zu synchronisieren.
• Die Arbeitsweise des Kreises wird nachstehend für ein Analogeingangssignal von o.439 Volt beschrieben, wobei dieser Wert willkürlich aus dem zwischen Null und 1o Volt liegenden Arbeitsbereich des Kreises herausgegriffen ist. Wie erwähnt beträgt die Bezugs spannung 5 etwas weniger als fünf Volt, und die Maximalverstärkung des Verstärkers beträgt 210. Zu Beginn befindet sich der Komparator 4 in einem Betriebszustand mit dem niedrigen Ausgangsniveau, und der Zähler 9 steht auf Null, d.h. in den Leitungen a bis d liegt ein Null-Signal an.
• Die von dem Taktgeber 8 kommenden Impulse werden durch das Tor 7 dem Zähler 9 und von dort aus dem Decoder 1o zugeleitet, um die schrittweise Verstärkungszunahme des Verstärkers 1 zu besorgen. Zu Beginn hat der Verstärker 1 das Verstärkungsmaß 1 (nämlich 20), welches dann anwächst auf 2 (also auf 21), auf 4 (also auf 22), auf 8 (also auf 23), und auf 16 (also af 4 2 ). Bei einem Verstärkungsmaß von 16 beträgt der VerstErkerausgang 7.024 Volt (nämlich: 16 x o.439), und da dieser Wert größer ist als die Bezugsspannung, schaltet der Komparatorausgang auf das höhere Niveau, was der logische Kreis 6 feststellt und daraufhin das Tor 7 so umschaltet, daß dem Zähler 9 keine weiteren Impulse zugeführt werden, wodurch der Verstärkungsänderungsprozeß gestoppt wird.
• Der Zeitgeber 14 schickt ein Signal an den Analog-Digital-Umsetzer 3, welches diesen veranlaßt, das verstärkte Analogsignal von 7.o24 Volt in die entsprechende digitale Form auf der Basis von 1o Bits umzusetzen. Der Ausgang des Umsetzers 3 liefert die digitale Mantisse, und der Exponent wird von dem Zähler abgelesen. In dem beschriebenen Beispiel ist der Analogeingang von o.439 Volt äquivalent der Mantisse von 7.o24 (dies in digitaler Form auf 10 Bits), dividiert durch den Exponent von 24. . Alternativ kann der Exponent als negative Größe (z.B. -4), multipliziert mit der Mantisse, gelesen werden. In der Praxis wird eine Folge von gesonderten Analogeingangssignalen dem Verstärker 1 zugeführt, wobei der Zähler 9 zwischen den einzelnen Analogeingängen auf Null zurückgestellt wird. Auf diese Weise kann eine große Anzahl von Variablen kontinuierlich Uberwacht werden und, soweit gewünscht, erinnert und auf einem Computer aufgezeichnet werden. Ein spezielles Anwendungsbeispiel der Erfindung ist das Gebiet der Gaschromatorgraphie, wobei die verschiednenen Analogsignale die Konzentrationen einzelner Gase in einer Gasmischung repräsentieren.
• In der Praxis sind die die Verstärkung ändernden Widerstände des Verstärkers 1 in zwei Serien angeordnet, wobei die eine Serie sechs Widerstände und die andere Serie vier Widerstände umfaßt. Die Widerstände der ersten Serie be-1 6 sorgen den Verstärkungszuwachs zwischen 2 und 26, während die vier Widerstände der anderen Serie den Verstärkungszuwachs zwischen 20 bis 26 bewerkstelligen. Die Widerstände werden von einzelnen Schaltern der Schaltanordnung 12 so angesteuert, daß geeignete Widerstandskombinationen in der Weise ausgewählt werden, daß sich ein abgestufter Verstärkungsbereich zwischen 20 und 21o, d.h. zwischen Eins und 1024 ergibt.
• Der erfindungsgemäße Umsetzer kann somit als mit gleitendem Dezimalpunkt arbeitend ansgesprochen werden, da jedes Analogeingangssignal um die erforderliche Zweierpotenz verstärkt wird, bis es größer ist als die Bezugsspannung.
• Alternativ kann der Umsetzer 3 kontinuierlich mit dem Verstärker 1 umgeschaltet werden, wobei mit der Minimalverstärkung begonnen und mit ansteigenden Zweierpotenzen fortgefahren wird; das signifikanteste Bit des Umsetzers 3 kann dann als Besetzt-bit wirken, das, wenn es Eins registriert, dazu benutzt wird, den zyklischen Prozeß zu stoppen.
• Alternativ kann man mit der Maximalverstärkung beginnen, wobei dann das Verstärkungsmaß reduziert wird, bis die Eins aus dem signifikantesten Bit verschwindet. Die gleiche Methode kann bei dem vorstehend beschriebenen Komparatorverfahren benutzt'werden, nur muß in diesem Fall der Komparator zunächst auf den vollen Wert des Mantissenteils eingestellt und das Verstärkungsmaß reduziert werden, bis sein Ausgang kleiner ist als der erwähnte volle Wert.
• Als Umsetzer 3 kann jeder bekannte Typ einer Digitiervorrichtung benutzt werden, wie ein nach dem Verfahren der schrittweisen Annäherung arbeitender Analog-Digital-Umsetzer, oder ein zählender Umsetzer, oder auch ein Digitalvoltmeter, mit einem Analog-Frequenz-Umsetzer und einem Digitalzähler.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Analog-Digital-Umsetzer, gekennzeichnet durch eine Anordnung (1), mit deren Hilfe ein zu digitierendes Analogeingangssignal um Beträge verstärkt bzw. abgeschwächt wird, die sich nach aufeinander folgenden Zweierpotenzen Endern, durch eine Anordnung (3) zum Digitieren des verstärkten bzw. abgeschwächten Signals zur Erzeugung einer Mantisse, und durch ein Anzeige-oder Aufzeichnungsgerät für diejenige Zweierpotenz, durch welche das Eingangssignal so verstärkt bzw. abgeschwächt wird, daß sich ein Exponent oder ein Kehrwert desselben ergibt.

2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, mit deren Hilfe das zu digitierende Analogeingangssignal verstärkt bzw. abgeschwächt wird, einen Verstärker (1) beinhaltet, dem eine Widerstandskaskade mit Schaltern (12) zugehört bzw. zugeordnet ist, wobei die Schalter die Widerstände der Kaskade hintereinander in der Weise schalten, daß sich die Verstärkung durch den Verstärker (1) in der erwähnten Aufeinanderfolge von Zweierpotenzen vollzieht.

3. Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem einen Komparator (4) aufweist, mit dessen Hilfe die aufeinanderfolgend verstärkten bzw. abgeschwächten Analogsignale mit einer festen Bezugsspannung (5) in der Weise verglichen werden, daß der Komparatorausgang von einem Niveau auf ein anderes Niveau umschaltet, wenn das verstärkte Analogsignal größer wird als die erwähnte feste Bezugsspannung (5) bzw. wenn das abgeschwächte Signal kleiner ist als die feste Bezugs spannung.

4. Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (4) mit einem logischen Steuerkreis (6) verbunden ist, welcher nach einem Umschalten des Komparatorausgangsniveaus jede weitere Anderungszunahme des Verstärkers (1) unterbindet.

5. Umsetzer nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Anzeige- oder Aufzeichnungsgerät für die Zweierpotenz einen Binärzähler (9) aufweist, der die Schalter (12) unter Zwischenschaltung eines Decoders (lo) betätigt.

6. Umsetzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber (8) über ein von dem logischen Kreis (6) her gesteuertes Tor (7) Impulse an den Zähler (9) gibt.

7. Umsetzer nach einem der vorhergehenden, dem Anspruch 2 untergeordneten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der Kaskade in zwei Serien geschaltet sind, wobei die Widerstände einer Serie zur Verstärkungsänderung bis zu einer mittleren Verstärkung und zwei Widerstände, nämlich einer in jeder Serie, für die Verstärkunejsenderung zwischen der erwähnten mittleren Verstärkung und der Maximalverstärkun,l benutzt werden.

8. Umsetzer nach einem der vorhergehenden, dem Anspruch 3 untergeordneten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Bezugsspannung (5) halb so groß ist wie das volle Simnalfassungsvermögen der Anordnung (3) zum Digitieren des verstärkten bzw. abgeschwächten Signals.

9. Umsetzer nach einem der vorhergehenden, dem Anspruch 2 untergeordneten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximalverstärkung des Verstärkers (1) 2 beträgt.