DE2108329A1 - Analog Digital Wandler mit automati scher Kalibrierung - Google Patents

Description

Viele digitale Voltmeter verwenden einen Rampengenerator, dessen Ausgangsspannung linear bezüglich der Zeit variiert, und es werden bei diesen Voltmetern mehrere VergleichsschaltknLs· zur Abtastung der Koinzidenz der Rampenspannung mit der unbekannten Eingangsspannung und mit einer Referenzspannung verwendet. Diese Vergleicheschaltungen steuern ein Tor, welches gestattet, daß die Impulse von einem Oszillator zu einem digitalen Darstellungsindikator gerichtet werden, wobei die Zahl der durch das Tor laufenden Impulse von der Größe der unbekannten Spannung bestimmt wird. Es ist daher notwendig, daß

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der Anstieg «der dl· Rat· der Spannung«änderung bezüglich der Zeit de· Rampengenerator· genau eingehalten wird, da jede Änderung de· Anstieg·· in einer unterschiedlichen Zahl von durch da· Tor zum digitalen Darstellungeindikator verlaufenden Impulsmresultiert. Die Frequenz des Oszillator« mufl auch genau gesteuert werden, da sie die Zahl der !■pulse in joder beliebigen Zeiteinheit bestimmt. Jede beliebig· Veränderung des Anstieg·· der Rampengeneratorausgangs spannung oder der Frequenz des Generatore in diesen Vorrichtungen resultiert deshalb in einer ungenauen Bestimmung der unbekannten Eingang·spannung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf «inen verbesserten Analog-Digital-Wandler, der eine automatische Kalibriereigenschaft hat, um den Wandlerau«gang unabhängig vom Anstieg eine· Rampengeneratorausgangssignales zu machen, und de leinen einzigen Vergleieh·Stromkreis zum Vergleich de· Rampengeneratorauagangaeignale· mit ersten und zweiten Referenzsignalen und mit einem unbekannten Eingangssignal aufweist.

Der Analef-Digitalwandler der vorliegenden Erfindung ist eine Zeitverhältnievorrichtung, in der da· Zeitintervall zwischen der Koinzidenz eine· Rampengeneratorauagang·- signales mit ersten und zweiten Referenzsignalen und der Koinzidenz des Rampenauagangasignales mit einem unbekannten Eingangssignal verglichen wird. So lang· aloh da· Rampenauegangesignal mit einer linearen Rate bezüglich

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der Zeit verändert, wird die tataächliohe Rate der Xnderung oder der Anstieg dea Rampenauegangesignales nicht in unpa··ender Veiae den digitalen Ausgang von der Vorrichtung beeinflussen.

Bin Impulsgenerator oder Oamillator ersengt eine vorbestimmte Zahl von Impulsen in einen Referenzxeitintervall, d.h. eine» Zeitintervall zwischen der Ausgangssignalkoinzidenz des Rampengeneratorβ mit den ersten und streiten Referenzsignalen. Ein Rückführschaltkreis wird zur Konstanthaltung i der während des Referenzzeitintervalles erzeugten Impulssahl, unabhängig von Jeder beliebigen Veränderung ie Zeitintervall, verwendet· Die Rttokfuhrsteuerung kann durch die Steuerung der Frequenz dea Oscillator· und durch die Steuerung dea Anstiegs des Rampengeneratorausgangsaignalea bewerkstelligt werden·

Bei einem bevorzugten AusfUhrungsbeiepiel iat der Impulsgeneratorausgang auf einen Gegenschaltkrei* gelegt, der die Impulszahl durch eine vorbestimmte Zahl teilt· Die Zählfolge beginnt nach der Koinzidenz des Rampengeneratorausgangssignale-s mit de« ersten Referenzsignal· Ein Ausgang vom Zähler wird auf einen Phasenvergleioher geriohtet, der diesen Ausgang mit einem Signal vergleicht, das auf die Koinzidenz des Rampengeneratorausgangssignales mit dem zweiten Referenzsignal erzeugt wird. Der Ausgang des Fhasenvergleiohers ist eine Spannung, die die Frequenz des Im-

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pulsgenerator· steuern soll, so daß die wahrend dos Referens-Zeitintervallee erzeugte Impulezahl unabhängig Ton dor Länge des Zeitintervalle konstant gehalten wird, (das Zeitintervall wird durch den Anstieg des Rampengeneratorausgangssignales bestimmt). Der !Impulsgenerator ist ein spannungsgesteuerter Oscillator, der festgelegt und am Oezillieren gehindert ist, bis das Rampengeneratoraus gangs signal mit dem ersten Referenzsignal koinzidiert und die Zählfolge in Gang gebracht ist. Hierdurch ist sichergestellt, daß die Oezillatorwellenform für jedes Meßsignal mit derselben Phase beginnt*

Die ersten und zweiten Referenzsignale sind positive und negative Signale derselben Größe, und deshalb wird ein Nullniveau exakt in der Mitte zwischen den Referenzzeitintervallen geschaffen· Bin anderer Ausgang von demselben Impulsgenerator wird auf einen Tor schaltkreis gegeben, der nur während des Zeitintervalle zwischen der Koinzidenz dos Rampengoneratorausgangssignalos mit dem unbekannten Eingangssignal und dem Nullniveau geöffm t ist. Die Größe des Eingangssignales wird durch die Länge dieses Zeitintervalle reprosontiert. Die Polarität dos Eingangssignales wird durch die Folge dieser zwei Ereignisse bestimmt. Bei einem negativ laufenden Rampensignal wird somit ein positiver Eingang durch die Koinzidenz des Rampensignale mit dem Eingangeeignal angezeigt, bevor das Null-

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niveau erreicht ist. Ein negativer Eingang wird durch, das Auftreten de· Nullniveau* vor der Koinzidenz des Rampensignals mit dem unbekannten Eingang angezeigt.

Der Impulsausgang von dem Torsohaltkreis 1st auf einen kenwntionellen digitalen Darsteller gerichtet, der die durch die Torschaltung laufende Impulszahl in eine nutzbare Fora, z.B. eine sichtbare Darstellung, handelt.

Es 1st daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Analogdigitalwandler der beschriebenen Art zu schaffen, bei der das Zeitintervall zwischen der Koinzidenz eines Rampengeneratorausgangssignales mit den ersten und zweiten Referenzsignalen verglichen wird mit der Koinzidenz des Rampengeneratorausgangssignales mit einen unbekannten Eingangssignal, um ein Zeitverhältnis zu schaffen, das vom Anstieg oder der Änderungerate des Rampengeneratorausgangssignales bezüglich der Zeit unabhängig ist und daß die Größe des Eingangs bezüglich der ReferenzgrSßen darstellt ι in dem genannten Wandler soll ein Impulsgenerator eine feste vorbestimmte Impulszahl während eines Referenzzeitintervalles liefern, d.h. eines Zeitintervalle zwischen der Koinzidenz des R_ampengenerator&usgangesignale» mit ersten und zweiten Referenzsignalen, und es soll in dem Wandler ein Rückführsohaltkreis zur Steuerung entweder der Frequenz des Impulsgeneratorβ oder des Anstieges des Rampongenerator&usgangssignales verwendet werden, um die während des

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Referenzzeitinterralles erzeugten Impuls· konstant zu halten, unbeaohtlloh jeder beliebigen Veränderung im Zeitintervall; und ea soll ein -verbesserter Analogdigitalwandler, insbesondere iur Verwendung bei digitalen Voltmetern vorgesehen sein, der einen Tom Ausgang τοη einem Impulsgenerator und τοη dem R«f«ren»eitintermll abhangigen Zahlreis aufweist, dessen Tätigkeit auf die Koinzidenz des Rampengeneraterausgangssignales mit dem ersten Referenzsignal in G_ang gesetzt wird, und es soll ein Ausgang Torgesehen sein, nach Vervollständigung einer Torbestimmten Impulszahl Tom Impulsgenerator, und ein Vergleichssehaltkreis, der auf den Ausgang des Zählschaltkreise β und auf die Koinzidenz des Ra»pengeneratorausgangssignales mit dem zweiten Referenzsignal anspricht, wobei der Vergleiohskreis ein Steuersignal zum Impulsgenerator vorsieht, um seine Frequenz in einer Richtung einzustellen, um die Impulszahl in dem Referenzseitintervall bei der vorgegebenen Zahl zu halten·

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmögliohkeüen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es seigern

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines digitalen Voltmeters gemäß der Erfindung,

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Fig. 2 ein Blockdiagramm des verbesserten Analogdigitalwandler kreis es der vorliegenden Erfindung, wobei die Frequa eines spannungsgesteuerten Oszillators eingestellt ist, um eine feste konstante Impulszahl im Referenzzeltintervall zu halten,

Fig· 3 ein Blockdiagramm einer modifizierten Ausführungsfonn der Erfindung, wobei der Anstieg eines Rampengenerators gesteuert wird, um eine feste Impulszahl während des Referenmzeitintervalles zu halten,

Fig. k ein vereinfachtes Blookdiagramm eines digitalen VoItmeterausleserkreisee, der den Impulsausgang des Analogdigitalwandlerkreises gemäß der Erfindung in physikalisch lesbare Form wandelt,

Fig· 5a einen Satz Wellenformen, welche die Spannungen inner· halb ausgewählter Teile der Schaltung bezüglich der Zeit für eine positive Eingangs spannung zeigen,

Fig· 5b ein Satz Wellenformen, welche die Spannungen innerhalb ausgewählter Teile der Schaltung bezüglich der Zeit für eine negative Eingangsspannung zeigen,

Fig· 6a einen Satz Wellenforsten, welche die Tätigkeit der Rüokfuhrschaltung zur automatischen Steuerung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators zeigen,

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wenn ««ine Fraquenz hoch let,

Fig. ,6b ein Satz Vellenformen, welche die Tätigkeit der

Rückführschaltung zur automatischen Steuerung der Frequenz des Spannung»gesteuerten Oszillators zeigen» wenn seine Frequenz niedrig liegt und

Fig. 7a bis 7d, zusammengestellt, trie in Fig· 8 gezeigt» ein elektrisches schematiseh.es Diagramm eines Analogdigitalwandlerkreises ·

Die Zeichnungen stellen bevorzugte Ausführungeformen der Erfindung dar. Bin digitales Voltmeter ist in Fig. 1 dargestellt und weist ein Gehäuse 10 auf» das in obere und untere Abschnitte 11 und 12 geteilt ist· Der obere Abschnitt 11 ist der Hauptrahmen des Instruments und weist fünf numerische Anzeiger uhr en 1*t_t einen Polaritätsindikator 15 und einen Kombinationssteuerschalter 16 zum Ein- und Ausschalten und zum Ausprobieren der Rate auf· Der obere Abschnitt 11 enthält auch Xnergiespeise und Abfragekreise sowohl für den Hauptrahmen als auch die im unteren Abschnitt 12 befindlichen Schaltkreise.

Der untere Abschnitt 12 des Instruments weist Eingangsklemmen 17 bis 19 und Spannungsbereichswählsehalter 20 bis 23 auf. Bei der bevorzugten Ausführungeform ist der untere Abschnitt 12 ein Einheitβ-Abschlußβtuck (plug in

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module), das den Analogdigitalwandlerkreis gemäß der Erfindung enthält·

Beim Betrieb ist «ine unbekannt· Spannung E mit den Anschlüssen 17 und 18 verbunden· Anschluß 19 ist Chassiserde und normalerweise durch einen Verbindungebügel mit dem Anschluß 18 verbunden» um die Benutzung des Voltmeters als ein einseitiges Instrument zu ermöglichen. Der Spannuagsbereichswählsohalter 23 für den höchsten Bereich des Instrumentes ist anfangs geschlossen. Der Ein/Aus- und Probe- d ratensteuerschalter 16 wird «ing·schaltet, und der Spannungseingang erscheint dann an den Anzeigeröhren "\k. Die Rate» bei der die unbekannte Spannung gemessen wird, wird durch die Position des Ratensteuerschalters 16 bestimmt und verändert sich.gewöhnlich zwischen einer bis acht Proben pro Sekunde. Nachdem der Spnnungsbereich des unbekannten Eingangs sichergestellt ist, sollte der S^annungsbereichswählschalter, der die beste Zerlegung oder Auflösung gibt, geschlossen werden.

Der unbekannte analoge Spannungseingang zum Veitmeter wird durch den Analogdigitalwandlerkreis, der im Blockdiagramm in Fig. 2 gezeigt ist, in digitale Form gewandelt. Das genannte Blockdiagramm ist ausführlich auch in dem elektrischen schematischen Diagramm der Fig. 7 gezeigt. Dieser Kreis weist einen einzigen Vergleichskreis 25 auf, der eine negativ laufende, von einem Rampengonerator 27 gebildete Rampen-

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spannung zuerst mit einer positiven Referenzspannung 28 vergleicht, dann mit der unbekannten Eingangs spannung Ein, und schließlich mit einer negativen Referenzspannung 29·

Die positive Referenzspannung wird durch Teilung der +9 t 4 Volt-Referenzspannung vom Zener D1 herunter auf 4-1,6384 Volt abgeleitet. Die negative Bezugsspannung wird abgeleitet durch Anlegen der 4-9»4 Voltreferenz von D1 an den Verstärker IC 4 A mit geeigneter Rückführung zur Erzeugung von Φ -1,6384 Volt.

Der Vergleicher 25 ist ein von zwei angepaßten Feldeffekttransistoren, Quellenfolgern Q 17 und Q 18, gespeister Verstärker. Der Verstärker vergleicht die zwei Eingänge und erzeugt eine Ausgangsschwingung von +10 Volt. Die Diode D7 wird zur Festlegung der negativen Schwingung des Verstärkers verwendet und schützt somit einen Stoß (shot) 1C 8 A. Der Rampengenerator 27 cszeugt eine negativ laufende Span-A nung, die sich mit einer linearen Rate verändert, deren GrSSe anfänglich die positive Referenzspannung 28 übersteigt, und wird möglicherweise negativer als die negative Referenzspannung 29. Der Anstieg oder die Inderungsrate im Rampengeiierator beeinträchtigt den digitalen Ausgang des Schaltkreises nicht, da jede Veränderung des Anstieges automatisch durch die Schaltung kompensiert wird.

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Der Rampengenerator 27 weist Transistoren Q 13, ik_f 15 und Darlington Q 16 auf, die für die Erzeugung eines Verstärkers mit hoher Ausbeute verbunden sind· Die Frequenzkompensation wird ait C 12, R 51 und C 13 durchgeführt. Durch die Verwendung einer kapazitiven Rückführung wird der Verstärker ein hochlinearer Rampengenerator.

Dieser wird entweder durch Q 12 oder Q 11, je nach den J

Schaltkreisbedingungen, in Gang gesetzt· Während des normalen Betriebes wird der Rampengenerator durdidas Rampentor zurückgesetzt, welches erzengt wird, wenn die Raupe die negative Referenzspannung kreuzt· Venn der Transistor Q 12 oder Q 11 gesättigt ist, wird die Rampe in ihr am meisten positives Niveau zurückgesetzt. Die Rampenspannung bleibt dann in dem zurüokgesetzten Znstand, bis eier nächste Rücksetzizipuls von deat Zeiteineteil- und Grenzschichtabschnitt 51 empfangen wird.

Venn aus irgendeinem anderen Grund die Rampe nicht drei unterschiedliche Spannungskreuzungspunkte erzeugt (d.h. positive Referenz, Eingang, negative Referenz), würde ein normales Rücksetztor nicht erzeugt, und das Instrument wäre festgelegt· Um dies zu vermeiden, is 1}4in unabhängiges kodiertes Rampentor vorgesehen, welches den Rampengenerator zurücksetzt.

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Unter Bezugnahme auf die Fig. 5a und 5b ist der Ausgang des Rampengenerators 27 als eine nach unten abfallende Linie 30 gezeigt, die bei der Zeit Ts von einem Rücksetzimpuls 31 gestartet wird. Die Rampenspannung kreuzt zuerst die positive Referenzspannung 28 zur Zeit T1, die unbekannte Eingangs spannung ELn zur Zeit T2 und schließlich die negative Referenzspannung 29 zur Zeit T3*

Der Vergleicher 25 erzeugt einen Ausgang auf der Leüong 32 zum folgenden logischen Kreis 35 immer, wenn eine Koinzidenz der Spannung in dem Vergleicher mit der Rampenspannung auftritt. Daher ist zunächst eine positive Referenzspannung durch den Sehalter S1 mit dem Vergleicher 25 verbunden, wobei der Sehalter von einem Signal auf der Leitung 36 von der nachfolgenden logischen Schaltung 35 geschlossen wird· Venn die Rampenspannung mit der positiven Referenzspannung koinzidiert oder nahezu je nach den Sehwellenerfordernissen des Vergleicherkreises koinzidiert, wird zunächst ein Auegangsimpuls von dem Vergleicher erzeugt, wie durch die Impulse 37 in den Fig. 5ä und 5b bei T1 dargestellt ist. Dieser erste Impuls wird auf den nachfolgenden logischen Schaltkreis 35 gegeben, der dann das Befähigungesignal vom Schalter S1 entfernt und danach durch einen geeigneten Ausgang auf der Leitung 38 den Schalter S 2 beaufschlagt. Der Schalter S 2 bleibt geschlossen, bis die Rampenspannung mit der unbekannten

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Ein koinzidiert, zu welcher Zeit (T2) der Vergleioher einen zweiten Ausgangeimpuls 39 erzeugt» der beim Aufgeben auf den iac hf olgenden logischen Schaltkreis 35 den Schalter S2 öffnet und den Schalter S 3 durch einen geeigneten Ausgang auf der Leitung 40 schließt. Der Schalter S 3 bleibt dann geschlossen« bis die Folge wieder in Gang gesetzt wird.

Die Schalter S 1, S 2 und S 3 sind drei Feldeffekttransistoren Q 3t Q 4 bzw. Q2 und ihre entsprechenden Antriebe. Un ' zu verhindern, daß zwei der drei Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind, werden alle drei für eine bestimmte Zeitdauer abgeschaltet, bevor irgendein Schalter bezüglich seines Tores geöffnet wird. Die Logik für diese Tätigkeit wird von den Decodern 1C?A, 1C9B und 1C1A, 1C1C und 1C2A desa;. logischen Abschnittes in Verbindung mit einem Ein-Schufl (oneshot) in dem Vergleicherkreis abgeleitet.

Wenn die Rampenspannung 3° nit ^der negativen Referenzspannung 29 zur Zeit T3 koinsidiert, wird ein dritter Impuls von dem Vergleicher 25 zu dem nachfolgenden logischen Schaltkreis 35 gerichtet. Der nachfolgende logische Schaltkreis hat einen Auegangsansohluß k2_t und das Ausgangssignal auf diesem Anschluß stellt das. Referenszeitintervall T1-T3 oder die Zeit dar, zwischen der die Rampenspannung die positive Referenzspannung und die negative Referenzspannung kreuzt.

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Ea iat für den Fachmann klar, daß daa Zeitverhältnia von T1 - T2 ία T2 - T3 oder T1 - T2 atu der Gesamtzeit T1 - T3 vom Anstieg der Referenzspannung unabhängig sein wird. Die Genauigkeit der Messung der unbekannten Eingangsspannung Ein wird daher von der Linearität der Rampenapannung (aber nicht ihres Anstieges) und der Genauigkeit der Referenzspannungen abhängen. Es iat auch ersichtlioh, daß die Referenzspannungen nicht von deraelben Größe, aber von entgegengesetzten Polaritäten aein müssen, obwohl für ein praktisches Instrument diese Anordnung bevorzugt ist.

Da ein digitaler Ausgang gewünscht ist, wird ein Impuls erzeugender Oszillator kü' verwendet, der Impulse mit einer regelmäßigen Rate, tvpischerweise in der Größenordnung von 75° Kileherte erzeugt. Der Oszillator kO bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist spannungsgesteuert, wobei seine Frequenz von der Induktanz von L1 und der Kapazitanz eines spannungsvariablen Kondensators oder einer Zener D 8 bestimmt wird. Wie noch zu erläutern ist, wird die Frequenz des Oszillators kO zur Erzeugung einer konstanten Impulszahl während dea Referenzzeitintervallea T1 - T3 eingestellt.

Der Impul saus gang von dem Oszillator kO wird von der Leitung k6 zu einem Zählkreis 50 getragen, der die Impulse durch eine vorbestimmte Zahl teilt. B*i der bevorzugten

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Aueführungsform 1st der Zähler 50 «in binärer Zähler, der den. Impulsauegang tob Oszillator kO in exakt d ie halbe Zahl der Impulse teilt, die erwünscht während des Referenzzeitintervalle· erzeugt werden sollen· Der binäre Zähler besteht aus 15 identischen J-K-Flip-Flops, die als ein binärer Pulsationszähler angeordnet sind· Die« gestattet einen Ausgang eines Impulses tob 1 C 11 C und 1 C 11 D für je 16,84 in das 1C12B geführte Impulse· Man muß jedoch beachten, daß andere Typen -von Zählkreisen anstelle des in Blookdiagrammform in Fig. 2 und Fig. 7 ausführlich gezeigten Binärzählerβ Torwendet werden könnten.

Der Zähler 50 wird anfänglich sur Zeit Ta durch einen Rüoksetzlmpuls 31 iron einem ZeiteinateU- und Grenzsohiohtaohaltkreis 51 zurückgesetzt. Die Zeiteinstellung dieses Schaltkreises wird durch den programmierbaren Einfläohentransistor Q 29 bestimmt. Diese Zeiteinstellung bestimmt (slaves ) das Zeiteinstellintervall im Hauptrahmen 11, und somit beeinflußt die on/up-date Steuerung 16 nur das Er- |

ganzen «der Auf-daa-laufendebringen (update) des digitalen Darstellers und nicht der Proberate* Dieser Kreia hat zwei Ausgänge. Der eine Ausgang wird für das Zurücksetzen der Verbindung benutzt, wodurch alle Flip-Flops in dem binären Zähler und der zwei Dekodier-Flip-Fleps in dem logischen Abschnitt zurückgesetzt werden, während der andere Ausgang als Übersteuerung des Rampengenerators verwendet wird.

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Wenn di· RMptnipannang mit der positiven Referenzspannung tür Zeit T1 koinzldiert» wird der nachfolgend· legisohe Sohaltkrais 35 am Anschluß 42 «Inen Ausgang erzeugen» tun dl· Zählfolg· in Gang zu setzen. Di·a geschieht durch Auftasten (gating) des Oszillators k$ in den Betrieb. Vor der Zählfolge kennte Strom kontinuierlich durch die Spule L 1 durch. Tätigkalt der Tranaistören Q 22 und Q 23 (Flg. 7) fließen. Wenn das Referenz-Zeltintervall beginnt» Iteioht dieser Stremfluß ab, und der Oszillator kann dann bei seiner Resonanzfrequen arbeiten. Der Oszillator k5 beginnt deshalb in «ie Oszillation hinein ■tit derselben Phase für jede Spannungsmoßfolgo » was sich wie noch orklftrt wird - auf die Genauigkeit des Instrumente günstig auswirkt.

Da der Zähler 50 genau die halbe Anzahl -ron den gewünschten Impulsen innerhalb des Referenzzeitintervalles zählt» kann man aus den Figuren 6a und 6b erkennen» daß es netwendig sein kann» die Frequenz des Oszillators k$ einzustellen. Fig· 6a veranschaulicht den Ausgang am Anschluß 52 vom Zähler 50» wenn die Frequenz des Oszillators $0 zu hoch ist. Unter diesen Uaständen wird die lählfolge zur Zeit TI begonnen» und nachdoa eine Hälfte der gewünschten Iepulszahl gozählt worden ist, ändert sich der Ausgajing am Anschluß 52 vom Zähler zur Zeit TO. Nachdem der Zähler wiederum eine Hälfte der gewünschten «mpulszahl zählt,

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kehrt sein. Ausgang am Anschluß 52 zu seinem ursprünglichen Zustand zur Zeit Tk zurüok· Der Ausgang vom nachfolgenden logischen Schaltkreis am Anschluß k2 -verändert «ich andererseits bis zur Zeit T3 nicht*

Sowohl die Anschlüsse 52 vom Zähler 50 und die Anschlüsse k2 vom nachfolgenden logischen Sehaltkreis 35 sind an einen Phasenvergleiohskreis 55 angeschlossen, und wenn die Frequenz des Oszillators au hoch ist, wird die Zeit Tk vor der Zeit T3 auftreten. Als Ergebnis wird ein Steuersignal vom ä Phasenvergleioher auf der Leitung 56 erzeugt und auf den Steuerkreis für den spannungsgesteuerten Oszillator gegeben· Unter Bezugnahme auf Fig. 7 wird dieses Steuersignal auf den Transistor Q 26 gegeben, der dann die Spannung am Kondensator C 21 einstellt, um die Resonanzfrequenz des Oszillators zu steuern· Die Länge des Impulsausganges auf der Leitung 56 wird vom Kondensator C 21 integriert, und es versteht sich daher, daß verschiedene Probenayklen erforderlich sind, um die Frequenz des Oszillators zur Schaffung eines völlig akkuraten Ausganges für den Fall einzustellen, daß ein großer Frequenzirrturn besteht·

Fig· 6b stellt die ¥_ellenformen dar, die erscheinen, wenn die Frequenz des Oszillators k5 anfänglich zu niedrig ist. Unter diesen Umstanden tritt Tk nach T3 auf, und der Phasenvergleicher wird einen Ausgang auf Leitung 57

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erzeugen, dessen Länge die GrSße d·· erforderlichen Fre~ quenzanstieges bestimmt· Vater Bezugnahme auf FIfT* 7 wird der Ausgang auf den Tranaister Q 2k gegeben, der die Spannung auf dem Integrierkondensator C 21 und somit die Spannung auf den spannungsvariablon Kondensater D 8 und aeine Kapazitanz umsteuert, üb die Oszillatorfrequenz au steigern·

Somit wird der τοη dem tatsächlichen Oszillator-ausgangabhängige Rüokfuhrschaltkreis zur Konstanthaltung der durch den Oscillator während des Referenz-Zeitinter-ralls erzeugten Impuls zahl verwendet· Mit anderen Werten wird der Oszillator se eingestellt, daß Ok mit T3 koinzidiert bzw. damit zusammentrifft· Bei dem in Fig· 7 gezeigten Kreis wurde gefunden, daß die Oszillaterfrequenz auf eine Genauigkeit ▼on weniger als 1 Herta gehalten werden kann· Di« se Genauigkeit wird durch die Tatsache erhSht* daß die ▼on dem Zähler 30 gezählte Impulsreihe immer mit deraelben Phasjfe beginnt, und daher die Phase der Rüekflanke dieser Impulsreihe sich, nur je nach der Oszillaterfrequenz ändert und nicht infolge der Unsicherheit der Startphase· Bei dieser Art Frequenzsteuerung werden Veitmetergenauigkeiten in der Größenordnung τοη 0,01 ή» erhalten·

Es ist auch mHglich, das Referenzzeit^interrall durch Veränderung des Anstieges der Rampengeneratorausgangsspannung zu steuern· Dies hat die Wirkung, daß sioh die Länge

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de« ReferenESeitintervalles «der di· Länge d·· Aasganges ändert» der an der Kiew» hZ d·· naohfelgenden legisohen Schaltkreis·· 35 erscheint· Outer Besugnahat auf Fig. 3 kann der Ausgang ve« Phasenvergleioher 55 »«f Spannungssteuereohaltkreise Iv Rampengenerator 27 gegeben werden, tun den Anstieg der Rampengeneraterauegamgs spannung einsustellen, UBi wiederum eine riete lapulsxahl wahrend dee Iaterrallee «u halten·

Bei der Verwendung jeder Auefiihrungeforsi let soait erkenn- m

bar» daß eine konstante, feste Xapulssahl wahrend des Referensxeitinterralles ermeugt wird und diese Inpulsiahl unabhängig tom tatsächlichen Anstieg der Raapengeneraterausgangsspannung ist·

Bezüglich der Figuren 2 und 5 «lud der Ausgang το« AnsehluB k2 und 40 des nachfolgenden logisohen Sehaltkreises und der Ausgang 52 tob Zähler 50 alt dea auesehlieeiiohen OSm-Ter 60 rerbunden. Das in Figuren 2 und 7 gezeigte aussohlieB-llche ODER-Tor arbeitet nur* wenn eine Befahl gangs spannung Anschluß 42 -vorgesehen iet₉ und erxeugt auf dea AnsohluA

62 nur einen positiven Ausgang, wenn einer, nicht aber beide

Eingänge
seiner/einen positiven Yert erhalten· In diesea Falle schafft das ausschließliche ODER-Tor 60 einen Ausgang, wie in den Fig· 5a und 5b gexeigt ist, und swar nur während des Intervalle s T2 - TO im Falle positiver Eingangs spannungen, oder TO - T 2 im Falle negativer W«g^ng«#pannyngan» in jedem

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ORIGINAL INSPECTED

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Falle «teilt die Zeitdauer des ausschließlichen ODER-Ausganges am Anschluß 6Z die Größe der unbekannten Eingangespannung mit Bezug auf TO dar·

Der Anschluß 62 steuert ein Zähltor 65» durch welcheβ Impulse rom Oszillator k$ zum digitalen Voltmeter-Schaltkreis gerichtet werden. Die Zeit_t während der das Tor offen ist, wird die Zahl der dort hindurch wandernden Impulse und damit die Größe der Lesung bestimmen, die muf den visuellen Anzeigevorrichtungen des Voltmeters erscheinen.

Unter Bezugnahme auf Fig. h wird der Impulsauβgang vom Zähltor 65 auf einen Vierdekaden BCD-Zähler 66 und einen Vierdekadenpufferspeicher 6? gegeben. Die im Pufferspeicher gespeicherte Zahl wird vom Dekodierschaltkreis 68 dekodiert, der dann die geeigneten Zahlen auf den digitalen Darstellungsröhren Ik erleuchtnu Gemäß Figuren 2 und 5 wird die Polarität der unbekanxmm Eingangsspannung Sin von der Zeit bestimmt, zu der ein Ausgang am AnsdLuß 62 des ausschließlichen ODER-Tores bezüglich des Ausganges am Anschluß 52 des Zählers 50 erscheint. Wenn ein Ausgang am Anschluß 62 erscheint, bevor der Zähler 50 TO erreicht, 1st die unbekannte Eingangsspannung positiv. Venn das auschließliche ODER-Tor einen Ausgang erzeugt, nachdem To angezeigt ist, ist die Polarität negativ. Ein Polaritätsdetektor 70 erzeugt einen Ausgang für negative Spannungen, der auf den Pufferspeicher 67, auf Leitung 72, gibt und durch jene Vorrichtung zum

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ORIGINAL INePECTED

Polaritätsindikator 15·

Es versteht eich., daß die vorliegend· Erfindung nicht auf solche Schaltkreise beschränkt ist, in<. denen Referenzspannungen gleiche Größe haben» aber entgegengesetzte Polarität, sondern die beschriebenen Schaltung kann mit jedem beliebigen Paar von Referenzspannungen verwendet werden· Es ist fernerhin nicht wesentlich, daß die Referenzspannungen auf derselben Stufe stehen wie die unbekannte Spannung, da ein Zeitverhältnis als Spannungsindikation ge- J messen wird·

Der somit beschriebene Schaltkreis wird daher nicht durch Veränderungen des Rampenspannungsanstieges oder Veränderungen der Vergleichsschwellspannung beeinträchtigt· Anstiegsveränderungen werden durch den oben beschriebenen Rüokführschaltkreis kompensiert, und da nur ein Vergleioherkreis verwendet wird, ist sein Sohwellenansprechvermögen für jeden Eingang yon den Bezugsgrößen und dem unbekannten Eingang dasselbe· Eine ausführlichere Beschreibung des Betriebes ^

und die Vorteile der Verwendung einer einzigen Vergleichsschaltung kann man in der U·S•-Patentanmeldung mit der Decket Nr. 5101 finden, die am 2. Juni I969 in den USA angemeldet ist und das Aktenzeichen Nr. 829 210 trägt.

Darstellung und Werte der Bestandteile der elektrischen Schaltung gemäß Fig. 7 werden im folgenden angegebens

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& JtZ

R1,2 Resistor, 510K. 5%. 2W

R3, 5A. 6,8A, 9,11 A, 12 Resistor, Matched Set

R5, 8,11, 64 Resistor, 1OK, 10%, 2W

R7, 10,31, 32 Resistor, 1 Meg, 10%, 1/2W

R13, 16, 43, 44 Resistor, 4.7K, 10%. 1/2W

R14 Resistor, 2.6K, 0.1%. 1W

R15 Resistor, 9.4K. 0.1%, 1W

R17 Resistor, 209.6 ohm. 0.1%. 1W

R18 , Resistor. 8.479K, 0.1%. 1W

R20, 27 ··. Resistor, 33 ohm, 1%, 3/4W

R21, 28 , Resistor, Variable, 100 ohm, 3/4W

R22. 26, 30, 55, 72, 83 ......... Resistor, 1.5K, 10%. 1/2W

R23 '. Resistor, 5.933K. 0.1%. 1W

R25 '' Resistor. 1.467K. 0.1%, 1W

R29 Resistor. 1.242K. 0.1%. IW

R33, 34. 36.37,38, 39 Resistor. 12K, 10%. 1/2W

R35 . . Resistor. 120K, 10%. 1/2W

R40.41. 42 . . . Resistor. 2.2K, 10%, 1/2VV

R45 Resistor, Variable, 2OK. 2W

R46 Resistor, 45.3K, 1%, 3/4W ·

R47,65, 91 Resistor, 100 ohm, 5%, 1/2W

R48, 52, 53 Resistor, 680K, 10%, 1/2W

R49, 54 Resistor, 100K, 10%, 1/2W

R50 Resistor. 330 ohm, 10%, 1/2W

R51, 63,89 Resistor. 15K, 10%. 1/2W

R56, 57. 60. 61, 62. 74 '. . Resistor, 10K, 10%. 1/2W

R58 Resistor, 3.3 Meg, 10%, 1/2W

R71 , Resistor. 22K. 10%, 1/2W

R73 Resistor, 330 ohm, 10%, 1/2W

R75,78 Resistor, 3.3K, 10%, 1/2W

R76,77, 80,88 Resistor, 1K. 10%. 1/2W

R79. 81,82 Resistor, 1.2K, 10%. 1/2W

R84 ■ Resistor, 270 ohm, 10%, 1/2W

R85 Resistor, 47K, 10%, 1/2W

R86 Resistor, 560 ohm, 10%, 1/2W

R87 Resistor, 17.4K, 1%, 3/4W

R90 Resistor, 16.2K, 1%, 3/4W

R92 Resistor, 221K, 1%, 3/4W

R93 .' Resistor, 27.4K, 1%,3/4W

R94 Resistor. 130K, 1%, 3/4W

R95 Resistor, 820 ohm, 10%. 1/2W

R96 Resistor, 39K, 10%, 1/2W

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C1 . Capacitor, Mylar, 0.001 μία @ 600 VDC

C2,7, 8, 20,24 . . Capacitor, Myiar, 0.01 μία @ 400 VDC

C3.13 : Capacitor, Mylar, 0.005 μία @ 600 VDC

C4 , Capacitor, Mica, 220 Pid @ 500 VDC

C5, 6, 9,17,18,23 Capacitor, Mylar, 0.02 μίά @ 400 VDC

C10,15.16 Capacitor, Mica, 10 Pid @ 500 VDC

C11, Capacitor, Myiar, 0.05 μία @ 600 VDC

C12 '.'. Capacitor, Mica, 500 Pid @ 500 VDC

C14 Capacitor, Mylar, 3 μία @ 100 VDC

C19 ....·. Capacitor, Mica, 1500 Pid @ 500 VDC

C21 ■ . , Capacitor, Tantalum, 10 μία @ 20 VDC

C25· Capacitor,Tantalum, 15μία @ 20 VDC

C2"6 Capacitor, Mylar, 0.5 μίά @ 400 VDC

C27 Capacitor. Mica, 300 Pid @ 500 VDC

C28 Capacitor, Mylar, 1 μία @ 100 VDC

C29 Capacitor, Mica, 75 Pid @ 500 VDC

D1 . Diode, Zener, 9.4V 0.5% "

D2,3,4, 5,9,10 Diode, Low Leakage

D6.11 Diode. Zener. 13V 10%

D7 Diode, Signal. 1N4154

D8 Diode, Zener, 13V Low Leakage

Q1.8.9,10,11,12,13,

14,15,27,28 . Transistor. Signal, 2N2925

Q2,3.4 Transistor, "N" Channel F.E.T., U1713

Q5.6,7,25 Transistor, 2N4248

Q16 Transistor, Darlington, D16P3

Q17,18 · Transistor, "N" Channel F.E.T. Matched

Q22,24,26 Transistor, High Voltage, 2N3877

Q23 Transistor, 2N3905

Q29 Transistor, Programmable Unijunction, D13T1

Q30 Transistor, Signal, 2N2922

IC1 Integrated Circuit, Triple 3 Input Gates, MC793P

IC2,6,10, Π . . Integrated Circuit, Quad 2 Input Gates, MC717P

IC3 Integrated Circuit, Transistor Array, RCA 3046 j

IC4 Integrated Circuit, Amplifier, MC1437L I

IC5 . ." Integrated Circuit, Quad 2 Input Gates, MC724P

IC7,12,13.14.15,

16,17,18 Integrated Circuit, Dual J-K Flip-Flop, MC776P

IC8 Integrated Circuit. Triple 3 Input Gates, ML792P

IC9 Integrated Circuit, Dual J-K Flip-Flop, MC790P

Ll Inductor, 56 microhenry

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INSPECTED

** " Ί108329

ZH

Der so beschriebene Analogdigitalwandler kann In Verbindung mit einem Voltmeter oder mit einem Heßgerät einer beliebigen analogen Menge durch Messung des Zeitverhältnisses zwischen dem Vergleich eines Rampensignals mit ersten und zweiten Referenzsignalen und des Rampensignale sum unbekannten Eingangssignal verwendet werden. Insbesonder-e ist das Zeitverhältnis gemäß dieser Erfindung dadurch bestimmt* daß man während eines Referenzzeitintervalles eine Impulszahl konstant hält, wobei das Zeitintervall diejenige Zeit ist, die für den Rampenweohsel von einem ersten zu einem zweiten-Referenzniveau erforderlich ist, und durch Auftasten einer geeigneten Zahl derselben Impulse, was die unbekannte Menge in eine digitale Darstellung representiert»

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Zahl der die unbekannte Menge repräsentierenden Impulse eine direkte Funktion ihrer GrSBe* Es versteht sich jedoch, daß Abweichungen verwendet werden können, und daß die Zahl der Impulse auch eine inverse Funktion der Größe der unbekannten Menge sein kann·

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1 »J Verfahren zum Messen einer unbekannten Eingangs spannung» gekennzeichnet, durch die Schrittet

   Erzeugen einer Rampenspannuxg , die mit linearer Rate sich ändert. Schaffuxg erster und zweiter Referenzspannungen, wahlweiser Vergleich der Rampenspannung mit der ersten Referenzspannung, der unbekannten Eingangsspannung und der μ zweiten Referenzspannung, Bestimmung der Zeit zwisohen dem Zusammentreffen der Rampenspannung mit der ersten Refereatspannung und mit der zweiten Referenzspannung zum Erhalt eines Referenzzeitintervalles, Vergleich der Zeit der Koinzidenzen der Rampenspannung mit der unbekannten Eingangsspannung bezüglich des Referenzzeitintervalle·, um daraus ein Zeitverhältnis zu erhalten, und Anzeige der Größe der unbekannten Eingangsspannung durch Bezug auf das Zeitverhältnis und die Größen der Referenzspannungen·

   2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Erzeugung einer vorbestimmten Impulszahl während des Referenzzeitintervalles und Aufsteuern (gating) der Impulszahl im Maßstab zum Zeitverhältnis zu einer Darstellungsvorriohtung zur Anzeige der Größe der unbekannten Eingangespannung.

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   3. Vorfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohritte der Erzeugung einer vorbestimmten Impuls zahl während dos Referenzzeitintervalleβ folgende Sohritte aufweisent

   Erzeugen einer Reihe regelmäßig beabstandeter Impulse, Zählen der während des Referenzzeitintervalles erzeugten Impulszahl und Einstellung der Frequenz des Impulsgenerator*, so daß die vorbestimmte Impulszahl während des Referenzzeltintervalle β auftritt.

   h. Verfahren nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch die Sohritte des Festlegons des Impulsgeneratorβ in einen nicht oszillierenden Zustand vor dem Referenzzeitintervall und Aufsteuern der Impulserzeugungseinriohtung zum Betrieb beim Beginn des Ref«renzzeltintervalles, so daß die Phase des impuserzeugenden Mittels zu Beginn des Intervalleβ für jede Messung dieselbe ist.

   5· Verfahren nach Anspnoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Referenzspannungen gleiohe Größe und entgegengesetzte Polarität haben und daß die Koinzidenzzeit der Rampenspannung «it der unbekannten Eingangsspannung bezüglich einer Zeit gemessen wird, die einhalb mal das Referenzzeitintervall ist« so daß die Größe der

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   unbekannten Eingangsspannung direkt proportional zum gemessenen Zeitintervall ist.

   6. Verfahren nach Anspruch 5_t dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der unbekannten Eingangsspannung dadurch bestimmt wird, ob das gemessene Zeitintervall mit der Zeit, gleich der Hälfte des Referenzzeitintervalles beginnt.

   7· Driftfreie Meßschaltung zur Messung der Größe eines unbekannten Eingangssignales, gekennzeichnet durdi eine Einrichtung zum Vorsehen eines Rampensignales, dessen Größe sich mit linearer Rate ändert, eine Einrichtung zur Schaffung eines ersten Referenzsignales, eine Einrichtung zur Schaffung eines zweiten Referenzsignales, eine Einrichtung zum wahlweisen Vergleich der Rampe mit dem ersten Referenzsignal, dem Eingangssignal und dem zweiten Referenzsignal, und eine Einrichtung zur Messung des Zeitverhältnisses zwisohen dem Vergleich des Rampensignals mit dem ersten und zweiten Referenzsignal und dem Rampensignal mit dem Eingangssignal, wobei die Messung des Eingangseignales dadurch allein durch den Bezug auf das erste und zweite Referenzsignal und unabhängig vom Anstieg des Rampensignales bestimmt ist*

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung des Zeitverhältnisses eine

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   Π 08329

   Einrichtung zur Erzeugung einer Reihe von regelmäßig beanstandeten Impulsen aufweist» ferner eine mit der Impulserzeugungaeinrichtung verbundenen Zähleinrichtung zur Teilung der Impulszahl durch eine feste Zahl» eine Einrichtung zur Einleitung der Zählfolge auf einen Ausgang von der Vergleichseinrichtung, welche das Zusammenfallen des Rampensignals mit dem ersten Referenzsignal anzeigt» eine Einrichtung zum Vergleich des Ausgangs des Zählere mit dem Ausgang des

   Vergleichere» wenn die Koinzidenz des Rampensignale und

   ist

   des zweiten Referenzsignals angezeigt und eine Rückführeinrichtung aufweist» die mit der Xmpulserzeugungseinrichtung verbunden 1st und auf die Verglelchseinrichtung zur Konstanthaltung der Impulszahl während des Referenzzeitintervalles zwischen der Koinzidenz der Rampe mit dem ersten Referenzsignal und mit dem zweiten Referenzsignal anspricht.

   9· Vorrichtung nach Anspruch 8» dadurch gekennzeichnet» daß die Impulserzeugungseinriohtung ein spannungsgesteuerter Oszillator ist und dafl die Vorgleicheeinrichtung die Frequenz des Oszillator· steuert» um eine feste Impulszahl innerhalb des Referenzzeitintervalles aufrechtzuerhalten.

   10. Voniohtung nach Anspruoh 8» dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Referenzsignal gleiche OrSBe und entgegengesetzte Polarität hat.

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   11. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die anspricht auf das Zusammenfallen, des Rampensignals mit dem unbekannten Eingangssignal und auf die Zähleinrichtung zur Aufsteuerung des Ausganges der Xmpulserzeugungseinriohtung zu einem digitalen Ausleeezähler, wobei die Zahl deij&o ausgesteuerten Impulse direkt proportional der Größe des unbekannten Eingangssignales bezüglich Null ist.

   12· Driftfreie Spannungsmeßsohaltung zur Anzeige der J

   Großβ «id Polarität eines unbekannten Einganges, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Schaffung einer Rampenspannung, deren Grüße mit linearer Rate zwisohen einem positiven und einem negativen Wert sich ändert, eine Einrichtung zur Schaffung erster und zweiter Referenzspannungen mit gleiohen Größen und entgegengesetzten Polaritäten, eine Einrichtung zum wahlweisen Vergleioh der Rampenspannung mit der ersten Referenzspannung, der unbekannten Eingangsspannung und der zweiten Referenzspannung, eine Einrichtung zur Erzeugung regelmäßig beabstandeter * Impulse, eine Einrichtung, die auf den Ausgang von der impulserzeugenden Einrichtung zur Zählung der in einem Referenzzeitintervall zwischen dem Zusammenfall der Rampenspannung mit den ersten und zweiten Referenzspannungen erzeugten Impulszahl anspricht, eine Rückführeinrichtung, die auf die Zähleinrichtung und die Vergleiohseinrichtung zur Steuerung der Frequenz der Impuls erzeu-

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   genden Einrichtung, um di· Impulszahl im Re far enxzei tint ervall bei einer vorbestimmten Zahl zu erhalten, eine Einrichtung zur Aufsteuerung eines Teils des Ausganges der Impulserzeugung» einrichtung zu einer digitalen Darstellungsvorrichtung, ansprechend auf die Koinzidenz der Rampenspannung mit der unbekannten Eingangs spannung und ansprechend auf einen Ausgang -von der ZKhIeinrichtung, der eine Hälfte der vorbestimmten Impulszahl darstellt und dadurch eine Impulszahl zur Anzeigevorrichtung schafft, die eine direkte Funktion der Größe der Spannung des unbekannten Eingangs bezüglich O ist, und eine Einrichtung zur Bestimmung der Folge des Auftretens der Koinzidenz der Rampenspannung mit dem unbekannten Eingang und dem Ausgang von dem Zähler, der eine Hälfte der vorbestimmten Impulszahl zur Schaffung einer Anzeige der Polarität des unbekannten Eingangs darstellt.

   13· Meß schaltung nach Anspruoh 12, gekennzeichnet duroh eine Einrichtung zur Festlegung der Impulserzeugungseinrichtung in einen nicht oszillierenden Zustand vor dem Referenz-Zeitintervall und zum Aufsteuern der Impulserzeugungseinriohtung in den Betrieb auf Zusammenfallen der Rampenspannung mit der ersten Referenzspannung, so daß die Phase des Ausganges der Impulserzeugungseinrichtung zu Beginn des Referenzzeitintervalles dieselbe für jede Spannungsmessung ist·

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