DE2112374A1

DE2112374A1 - Analog-Zeit-Umwandlungssystem

Info

Publication number: DE2112374A1
Application number: DE19712112374
Authority: DE
Inventors: Kelly Austin T
Original assignee: Schlumberger NV
Current assignee: Schlumberger NV
Priority date: 1970-03-16
Filing date: 1971-03-15
Publication date: 1971-10-07
Also published as: CA986225A; FR2083303B1; US3710374A; GB1346947A; FR2083303A1; SE368651B

Description

Beschreibung zur Patentanmeldung

der Schlumberger Limited, 277 Park Avenue, New York, N.Y,

betreffend

Analog-Zeit-Umwandlungssystem

Die Erfindung betrifft ein Analog-Zeitunnvandlungssystem mit einem Verstärker mit kohem Verstärkungsgrad, der einen signalumkelirenden und eine niclit-signalumkehrenden Eingang sowie einen Ausgang aufweist, ieitungsvorrichtungen zum kontinuierlichen Aufgeben eines Analogsignales auf den nicht-umkehrenden Eingang während eines.Umkehrζyklus, der aus zwei H±sk± aufeinanderfolgenden Zeitintervallen besteht, wobei das erste Zeitintervall von im wesentlichen fester Dauer ist und das zweite Zeitintervall für die Grosse des Analogsignales repräsentativ ist, einer Eeaktanzanordnung, welche den Verstärkerausgang mit dem signalumkehrenden Eingang verbindet und dazu aient, ein Signal mit einer Eate zu speichern, welche eine funktion der Grosse des während des ersten Zeitintervalles auf den nichtumkehrenden Eingang aufgegebenen Analogsignales ist, und einer Eeferenzstrom-Quelle, welche mit der Reaktanzanordnun,_; gekoppelt ist und dazu dient, während aes zweiten Zeitintervalles das Siganl mit im wesentlichen konstanter Hate von der Reaktanzanordnung abzuziehen.

Die Erfindung bezieht sich auf Analog-Digital-Konverter aes Zwei-i'lanken- oder Zwei-Neigungs-Typs und insbesondere auf eine elektrische. Integrier-üchaltungsanordnung, die insbesondere

109 8-Λ1/16Λ8

7112374

in preiswerten Digitalvoltmetern Verwendung i'inuet»

Bei einer bauart eines Zwei-Flanken-Analog-Digital-Konverters wird ein relativ langsam mit der Zeit veränderliches oder Gleichspannungssignal, welciies häufig als "Analogsignal" bezeichnet wird, durch eine elektrische Signal-Inte- -griervorrichtung über ein festes Zeitintervall integriert und dann durch einen entgegengesetzt gerichteten u-leichstrom fester, invarianter Grosse ersetzt, welcher oft als "Referenzsignal" "bezeichnet wird.

ψ Für bestimmte Konverteranwendungen wird die Zeitintegration vorzugsweise in dieser j?oriu ausgeführt, d.h., entweder auf dein Analogsignal oder auf dem Referenzstrom, so dass aie über die Integriervorrichtung während der Intervalle der Referenzstromintegration entwickelten spannungen als geradlinige, rampenförmige '."eilenfarmen darstellbar sind, deren Neigung während dieser Intervalle nicht o.urch das Analogsignal beeinflusst wird.

Um die aufeinanderfolgenden zeitlichen Integrationen des Analog- und des Referenzsignales jeweils ausschliess-Iich vorzunehmen, wird bei Analog-Digitalkonvertern der ^ beschriebenen Art im allgemeinen eine Kindestzahl von Zwei-üingangs-Schaltern verwendet. Ein Schalter dient dazu, die Analogsignalquelle selektiv mit dem -eingang der Integrier-vorrichtun,-; zu verbinden, während der andere dazu dient, eine Referenzsignalquelle mit geeigneter Polarität selektiv mit dem eingang zu verbinden.

Es ist bereits kannt, Parallel- oder Serienscaalter oder Kombinationen derartiger Schalter sum verschiedenartigen Schalten des Einganges der Integriervorrichtung zu verwenden, um die erforderliche Exklusivität zwischen der Zeitintegration des Analogsignales um ues Referenzsignales zu erreichen. Parallel oder in Serie mit der Analogsignal-

1 0 9 8 Λ 1 / 1 β Λ 8

BAD ORIGiNAt

ivuelle geschaltete Schalter reduzieren jedoch in charakteristischer Weise die -^ in gang simp ed an ζ des Konverters, was deshalb nachteilig ist, da diese Impedanz vorzugsweise so - ' ■ · 'Ie möglich sein muss, um eine Schwächung der übertragung ctes Analο^signal·es von der Analog quelle zv. vermeid eile Schalter, die lie Analogue lie serienartig mit der Integriervorrichturif verbinden, liefen normalerweise mit einen Anschluss auf dem Spannungsniveau der AnalOv.-quelle und nix den t.nderen Anschluss uuf dem Spannungsniveau des Einganges der Inxegriervorrichtungc Oowolil üiese Schalter gewährleisten, dass 'ier Konverter im wesentliche!: die geforderte hohe Eingangsimpäedaiiz aufweist, du bestimmte Schalteranschlüsse sehlicssend auf einen Su-allspotential liefen, kann das Offnen oder Schliess-Jii des Schalters kurzzeitige fehlerverursachsende Signale auf >:e:i Konvertereinger.g oder in die -"-nalog-Signalcuelle geben«, "v/egen des zufälligen Auftretens dieser Störsignale ist es sehr schwierig, diese in geeigneter ','eise zu lconpensieren. Schliesslich erfordern Konverter, bei deiiBn eine Vielsr.lii von Schaltern zum exklusiven aufgeben des -ri-nalo ~— und Referenz si .:i?.les auf die Integriervorriohtung erforderlich sind, chrrakteristischerweise, dass die verschiedenen Schalter in einer festgelegten, präzise synchronisierten Abfolge wälirei-.d eines Umv/anilungs- oder Ivonversion^'klus arbeiten. *.'älirer.d i-ine präsise Synchronisation der Schalterbetätigung dur:.h die Verwendung einer elektronischen Logik- und Steuerschaltung erreicht v/erden kann, so werden doch hierdurch die Komplexität und die Kosten aes Konverters gesteigert uni die Zuverlässigkeiten seiner Wirkungsweise herabgesetzt.

Der Erfindung lie^t die Aufgabe sugrunäe, eine die Haci.-teile der bekannten Vorrichtungen vermeidenden elektrische Irite^riervorriciitun*; zu schaffen, mittels derer zwei ^fiieicrisparmuri-;süi;rü&le exklusiv zeitlicü inte_t.;riert werden können.

1 0 S 8 U 1. / 1 P Λ 8

BAD ORIGINAL

Bfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch einen Yfiderstand, welcher ständig den umkehrenden Eingang mit der Referenzstrom-Quelle verbindet, und einer Schaltungsvorrichtung zum Verbinden der Referenzstromquelle und des Widerstandes mit einer Spannungsquelle während des ersten Zeitintervalles, wobei die Spannungsquelle eine Spannung aufweist, die auf einen bestimmten Viert des Analogsignales bezogen ist, und zum Unterbrechen der Verbindung zwischen dem V-iderstand und der Spannungsquelle während des zweiten Zeitintervalles.

Weiterhin ward erfindungsgemäss ein A-nalog-Zeit-Konversionssystem geschaffen, bei dem stark vereinfachte Integriervorrichtungen zur Signalintegration verwendet werden. Die zeitliche Integration eines -"-nalogsignales und eines Referenasignales erfolgt dabei so, dass jeweils nur eine Integration durchgeführt & wird, wobei die Quellen für das Analog- und das Referenzsignal andauernd, d.h. während . beider Signalintegrationen, mit· dem Eingang der Integrierschaltung verbunden sind.

Erfinduiigsgemäss wird ein iuialo^-Digital-UmwandlUrU₆Ssystem ~eschaffen, welc.j.es/inbesondere zur Verwendung in preiswerten, integrierenden Digitalvoltmetern Verwendung findet, bei denen durch Schliessen eines einzigen Schalters, und zwar eines einpoligen Einriegelschalters, a..ei von verschiedenen ileicriSpar.nun;jsquellen abgeleitete Signale zeitlich exklusiv integriert werden.

'.weiterhin wird erfinaungsgeia^;iss eine Integrationsschaltun^aanOrdnung ?:eschh.±£t n, welche insbesondere Jür u.en Einsatz in Analog-jJigital-Koiivertern des Zwei-Nei^unjs- oder "wei-Jj¹Ianken-Typs Verwendung findet. Die Schaltungsanordnung, aurch welcne die Integration¹ dui'chrefüjLrt wiru, hat eine iioiiti -jj.'ngangsiinpedans, wobei ötöref fekte, die aurch das selektii^e Einschalten desEinganges der Integrier schaltung zwiaciien din analog- und uie lieferenzBi-nylquelle

1 ■ 0 9 8 4 1 / 1 B h 8

BAD ORJGINAL

•hervorgerufen werden können, im wesentlichen eliminiert werden. Die Fotwendi gkeit für eine zeitliche Synchronisation des Schaltens zwischen den Signalquellen entfällt ebenfalls.

Die erfindungsgenässe Aufgabenlösung hat den Vorteil, ein stark vereinfachtes Analog-Digital-Umwandlungssystem zu schaffen, welches rasch von einer i'orm, in der das System zur Umwandlung, eines monopolaren Einganges geeignet ist, in eine Form gebracht werden kann, in derein bipolarer Analogeingang in Digitalform umgewandelt wird.

Bei der Erfindung ist eine elektrische Integriervorrichtung vorgesehen, welche besonders zur Kombination mit geeigneten zeitlichen Abstimmvorrichtungen geeignet ist, um integrierende j£s±i Spannungs-Zeit-Konverter zu erhalten. Die In\,egriervorrichtung erfordert nämlich aie zeitlich gesteuerte Operation nur einer einzigen Schaltungseinrichtung mit niedriger Impedanz, und zwar eines einpoligen Einregelschalters, uu die selektive zeitliche Integration zweier elektrischer Eingangssignale zu bewerkstelligen. Die Integriervorrichtung kann einen iiechenverstärker aufweisen, weloner Signalumkehrende und niuht-umkehrende Eingänge auf v/ei st, wobei eine negative Rückkopplung durch einen Kondensator vorgesehen ist. Der Verstärker ist in nicht-umkehrender Weise mit ununterbrochenen Verbindungen während eines Umwandlungszyklus an ait Quellen für aie beiden jiin^angssi^nale angeschlossen. Die elektrische ociialtung-s an Ordnung zwiscnen einem jiingangssignal und dem umkehrenden Ein .ang des Verstärkers weist eine Impedanz auf, welche selektiv beim Schliessen der tJciialtungseinrichtung mit einer el ei-; .,ri seilen Spannun^squelle verounaen wird, wodurch die Intej-.rier-Vorric-htung zv/ei entgegengesetzt gerichtete Spannungsraiflpen. er-zeu^t, deren jeweilige S Neigungenbezüglich eines uestimmten liiveäira direkte -funktionen jeweils ϋίκϊ eiiies der -^ingan^ssi^nale und unabhängig von

1 0 9 8 4 1 / 1 6 4 8 ^Γ

BAD ORIGINAL

dem anderen Eingangssignal sina.

Einfee bevorzugte .Uis uhrungsforra der iirfinuun^: betrifft eine Integrier schalttui , die insbesondere in preiswerten, integrierenden Sigitalv. 1 trauter η Verwundung findet. Die Schaltung umfasst einen konventionellen xtechenverstärker mit lionem Verstär.-ungsgrad, welcher einen signalumkehrenden und Einen nicht—umkehrenden Eingang und einen Ausgang aufweist. Eine Analogsignalquelle ist permanent mit dem nicht—umkehrenden Eingang wenigstens während des Intervalles eines ITmwancilungszvklus verbunden, v/elcher aus zv/ei aufeinanderfolgenden Zeitintervalle*! besteht, Bs ist nicht vorgesehen», während diener Zeitintervalle die Analogsignalquelie vo:. diesem Eingang mechanise: abzusc "slten. Uin K! ο nc¹, ersator in einem Rückkopplungskreis koppelt den Verstärker auegang mit dem signalumkelirenden ^ingan-j und l^y.it sich r.it einer Hate auf, die der -rosse eines -^-nal ο-stromes proportional lot, v/elcher von der -"-nalogsignaleouelle abgeleitet v.ira. 3ine Impedanz, vorzugsweise eine Widerstand, verbindet den umkehrenden -^ingang des Verstärkers mit einer iiefrenzsxromcuile an einem Yerbinaungspunkt. Beim Schli _;ss=n eines einpoligen Sinregel schalter ε, o.er eine niedrige Impäedanz aufweist, wird der Verbindung^punkt mit einer Spannungsquelle verbunden, bei einem Zwei-jSingang-Verstarker mit hohem Verstärkungsgrad in in der IntegrierEcLaltung folgt ale Spannung am umkehrenden jiingang aes Verstärkers und damit auch am entsprechenden ^Jiide des ..-iderstandes der Spannung des Analogsi_t;r.ules sowohl bezüglich der 'irösse als auch dar Polarität.

■.fahrend eines typischen ersten zeitintervalles aes Umwaiialun^·szyklus v/ird der Scnalter jeschloseeü ure verbinuet das dem Verbindungspunkt zu^ele^ene EvAe der Impedanz und die Ref erenzstromouelle mit der Si annuii_c-squelle . Der Kondensator wira durch den durch, den Kondensator und

109841 /1648

BAD ORIGINAL

den Widerstand hindurchfliessenden Strom mit einer Rate aufgeladen,' welche der Grosse der analog spannung an nichtumkelirenden -"ingang des Verstärkers, dividiert durch den Widerstand der Impedanz, proportional ist. Vi/.hrend· des zweiten Zeitintervalles wird der Schalter geöffnet, wodurch der -. orher geschlossene Kreis für den Analogstromfluss durch den Kondensator und den Widerstand geöffnet wird. Hierdurch fiiesst ein Heferena- oder liezugsstrom durch den Widerstand in entgegengesetzter .-»ichtung zu dem vorher fliessenden Analogstrom, so dass der Kondensator entladen wird. Dementsprechend wird während dieses Intervalle ε ale auf dem Kondensator befindliche Ladung r.iit einer Rate vermindert, welche von der G-rösse des Re fr ens signal es abhängt, jedoch unabhängig von der """nabgsignalgrösse ist.

Die tJpaiiniuigscuelle, mit der eine Seite des Schalters verbunden ii-t, .ιp.im ei:. Spannungsniveau aufweisen, welches auf uie Tolldtrndi^e orrosse (ν oll aus schlag) eines Ai.aloysignales belöge:-: idt, für ^:.relc._es άε.ε Voltmeter ausgelebt ist. Daü XH Spt-.nnun^sniveau Ι·:εχΐ: auch diu'oh eine uiicUre Aixa.lugspa':-nun_;· ize^e-en sein, \.OCei j.ci.n das als ^iffi.rtiuiulvoltLieter verwenaet wird. Da lät-st sich eine besonders einfache Version eines bipolaren ^iJv/ei-irei_t;un.,s-l)igit lvoltneters realisit ivn, wenn diese Svanmingsquelle eine grössere c>i:ai:nui:g erhält als es einem Voliausc.-lag entspricht.

1 0 98Ä1/1648

BAD ORSGiNAL

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich, aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzBLnen beschrieben sind. Dabei zeigt

Figur 1

teilweise als Blockschaltbild und teilweise in schematischer Form ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Integriervorrichtung für ein elektrisches Signal, wie es in einem integrierenden Zweiflanken-Digitalvoltmeter verwendet wird;

Figur 2

eine typische, am Ausgang der Integrievorrichtung erzeugte Spannungs-Wellenform, welche erzeugt wird, wenn die Integriervorrichtung in Zusammenhang mit dem dargestellten Voltmeter benutzt wird;

Figur 2 B .

die über die Integriervorrichtung erzeugte Ausgangsspannung einer Spannungsvergleichsschaltung, welche mit tionitor-Spannungen gekoppelt ist;

Figur 2 C

eine repräsentative Anzahl von ^riak timpul sen, welche gezählt werden, um eine Darstellung im Zeitfaereich der AnaIogspannungshöhe zu erhalten;

Figur 3

teilweise als ^lock.iiagrarain und teilweise in schematischer Form ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Umwandlung einer bipolaren Analog-Eingangsspannung in eine äquivalente Zeit- oder Digitaldarstellung;

Figur 4

charakteristische Zweiflanken-Wellenformen, welche von

1098^1/16 4 8

BAD ORIGINAL

der in Figur 3 dargestellten Signal-Integrier-Vorrichtung erzeugt werden.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbei spiel eines preiswerten, integrierenden Zweiflanken-Digitalvoltmeters dargestellt, "bei welchem eine Integriervorrichtung nach der Erfindung verwendet wird.

Die Analogsignalspannung V. ist eine in charakteristischer Weise langsam mit der Zeit sich ändernde oder Gleichspannung, welche von einer geeigneten Spannungs-quelle abgeleitet ist, die in Form eines einfachen Anschl-sses 11 dargestellt ist. Der Anschluss 11 ist mit dem nichtumkehrenden Eingang eines Rechenverstärkers verbunden, der einen Stromverstärkungsgrad von wenigstens 1oo, vorzugsweise höher, hat und einen Dual- oder Differenzialeingang mit hoher Impedanz aufweist. Eechenverstärker dieser Art sind allgemein als "Differenzialverstärker" bekannt. In üblicher Bezeichnungsweise wird der nichtumkehrende Eingang als (+) bezeichnet, während der umkehrende Eingang mit (-) bezeichnet ist. Ein Strombegrenzungswiderstand mit einem relativ kleinen Widerstandswert, nicht dargestellt, kann zwischen den Anschluss 11 und nen nicht-umkehrenden Anschluss geschaltet sein, um eine Überlastung des Verstärkers durch eine zu hohe Eingangsspannung zu vermeiden.

Es ist zu bemerken, uass die elektrische Schalxungsanordnung zwischen dem Anschluss 1 und dem Verstärker 12 keinerlei Schalter aufweist, sonaern dass die Verbindung normalerweise während des für wenigstens einen Konversionszyklus erforderlichen Zeitintervalls ununterbrochen bestehen bleibt. Daher werden die vorstehend ;enannten Nachteile vermieden, welche durch die Verwendung elektrischer Serien- oder Umgehung3schaltungen zwischen der Analogquelle und dem Verstärkereingang hervorgerufen werden können,

Ein -"-usgang 13 des Verstärkers 12 ist mit dem Umkehreingang

1098U/1648'

14 des Verstärkers über einen Rückkopplungskreis verbunden, welcher einen Kondensator C aufweist. Der Rechenverstärker 12 und der Kondensator 0 bilden einen linearen Integrator, der aiii Ausgang 13 eine Spannung V„ erzeugt ("Vn) ο Der Kondensator C ist auarch eine Spannungshaltediode D umgangen, welche in der dargestellten Weise für .angenommene positive Werte von V^ und in umgekehrter Richtung für negative Werte von V« gepolt ist. Die Spannung am .ausgang 14 uiss linear von der Analogspannung V^ abhängen, da Gleichspannungen am umkehrenden und am nicht-umkehrenden -eingang von Recnenverstarkem mit hohem Verstärkungsgrad aie Tendenz haben, sich gegenseitig exakt sowohl in ihrer Grosse als auch in ihrer Polarität gemäss beliebiger Spannungsdifferenzen in der Grössenordnung von Miftllivolt nachzustellen, wird im folgenden angenommen, dass die Spannung am Umkehreingang 14 gleich V» ist. Darüberhinaus kann, falls notwendig, jede Spannungsabweichung am Eingang 14, axe aur^h den Verstärker 12 verursacht ist, durch geeignete LinsteIlung einer jioweichungs-Kompensierschaltung auf null geregelt v/erden, welche feei derartigen Verstärkern zu aie sera Zweck üblicherweise vorgesehen ist.

Der Start und die Rückkehr der Spannung Vq von der und zu der Schwelle erfolgt durch ein·. Integraticnsschaltung, welche in ihrer Wirkungsweise durch eine zusätzliche Vorrichtung gesteuert wird, die mit dem ümkehreingang 14 verbunden ist. Diese zusäätzliche Vorrichtung umfasst einen Widerstand R, v/elcher den Eingang oder Anschluss 14 mit einem Verbindungspunkt 15 verbindet, an den eine Seite einer konventionnellen xiezugsstromquelle an-^eseiJ)ssen ist, die allgemein mit 1o bezeichnet ist.

Die andere Seite aer Bezugsstromquelle 16 ist in der Zeichnung an Erde gelegt. Ein Schalter ·] der als einpioliger Einregelschalter dargestellt ist, weist einen Kontakt 17A auf, der mit dem Verbindungspunkt 15 verbunden ist_o Ein

10 9841/1648

BAD ORIGINAL

anderer Kontakt 17B ist mit einer Spannungsquelle mit konstantem, festem Potential verbunden, welche mit Y^ bezeichnet ist. Die Stellung des Schalters 17 wird durch zwei 3Λ^ν^+-> ^ip- ■-·-.j·=··.-.--.-{änge eines bistabilen Multivibrators oder Flipflops 18 gesteuert, der eine Anstell-sowie eine Rückstellstellung und entsprechende, mit F und R bezeichnete Eingänge aufweist. Der Flipflop bewirkt in der Rückstellstellung ein schliessendes Kontakt 17A, wälirend der Kontakt 17A geöffnet wird, wenn der Flipflop sich in der Anziehstellung befindet. D

Der Schalter 17 kann, und dies ist meistens der Fall, eine andere, gleichwertige Form haben, beispielsweise aus einem einzelnen, bipolaren Festkörpertransistor bestehen, der in nicht-uinkehrender Weise mit einem mit dem Verbinaun^spunkt 15 in Verbindung stehenden Bmitteranscniuss, einem mit der Spannungsquelle V-n verbundenen Kollektoraiisciiluss und einem mit dem Ausgang des Flipflops 18 verbundenen Basisanschluss verbunden ist. Ein einzelner Felaezfekttransistor-Schalter ist ebenfalls verwendbar. Bei diesem AusfiL-rungsbeispiel der Erfindung wird ctie Spamiiui_d:s€LU-..lle V-g als Basis oder Erdung (null Volt, Impedanz null) gencicnan. Um einen Stronflussweg mit niedrigem Widerstand für i-;n Stromfluss durch den geschlossenen oder eingeschalteten Schalter zu erhalten, muss der Widerstand des geschlossenen Schalters, welcher dem Widerstand der Spannungsquelle Vr- hinzugefügt wird, die mit dem entsprechenden Schalterkontakt, Anschluss oaer Verbinütun^spunkt (je nach der speziellen Schalterauöfü.ii-uHg) verbunden ist, beträchtlich geringer sein als der V/iaerstandswert des Widerstandes S.

Angenommen, dass am Schalter 17 in geschlossener Stellung, wie es euren die gestrichelten Linien angezeigt ist, ein ve machins sigbarer Spann, i^vsabf all auftritt, und

1 0 9 8 4 1 / 1 B U 8

BAD ORIGINAL

dass V-n gleich null Volt ist, lädt sich der Kondensator G mit einer Hate auf, welche einem Analogstrom I^proportional ist, der gleich V«a, ist. Der gesamte Strommschluss durch den Schalter 17 ist also während der Schalter-Seliliessdauer, wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet, gleich der Summe I_R + 1^.

Wenn der Schalter 17 geöffnet ist, liefert die Bezugsstromquelle, ungeachtet dessen, dass der Umkehreingang 14 auf dem angenommenen Niveau von V« bleibt, infolge ihrer Polarität und Grosse einen Referenzstrom I- über den Widerstand R in der durch die ausgesogen gezeichneten Pfeile angegebenen Richtung, wodurch elektrische Ladung vom Kondensator C mit einer Rate abgezogen wird, welche proportional zur Grosse von I, , jedoch unabhängig von der Spannung V« ist. Der Analogstrom I. fliesst während dieses Zeitintervalls nicht dem Referenzstrom I- entgegen, da das Potential am Umkehreingang 14 des

it
Widerstandes R gleich V. bleibt, während das Potentilal am Verbindungspunkt 15 zugewandten Ende des Widerstandes auf (V. + I-rJi) ansteigt, v/o durch uie Spannungen mit der angenommenen Grosse V. an den entgegengesetzten Enden des Widerstandes R ausgelöscht v/erden. Hieraus folgt, dass während derjenigen Intervalle, in denen der Kontakt 17A offen ist, die Spannung V^ keinen Einfluss auf den Entladekreis hat, v/o durch der Kondensator C mit einer Rate entladen wird, axe proportional zur Grosse von Ι_Ώ

ist, welche von der Spannung θ V. abhängt.

Die Entladung des Kondensators 0. brinjt die Spannung V₀ auf ein Ruheniveau, welches hinreichend negativ ist, um die Umkehrspannung zu überwinden, welche der übde D erteilt wird, ehe Vq dieses Niveau erreicht. Wenn dies geschieht, wird uie Diode D in Leitstellun^; vorgespannt, woraufhin der Referenzstrom I durch die leitende Diode in Rica, tun^; des ausgezogen razol ohne ten Pfeiles fliesst

1 0 9 B 4 1 / 1 6 h 8

BAD ORIGINAL

und die Spannung Yq auf einem RuheSpannungsniveau hält, welches gleich (V, — VjJ ist, siehe Figure 2 A. Die Grosse Vy. ist dabei der Vorwärt s-Spannungsabf all an der Diode D. Angenommen, dass V_n in der G-rösse von 0,6 Volt liegt, so wird die Spannung V_n unter Ruhebedingungen bei (V. - O56) Volt, bezogen auf Erdpotential, gehalten. Bei der Vorwärtsleitung verhindert es die Diode D, dass der Verstärkers 12 in gesättigter oder nicht-linearer Weise durch den auf in aufgebrachten Referenzstrom angetrieben wird, ehe ein Konversions- oder Umkehrzyklus beginnt.

Ein konventioneller Spannungskomparator.oder Schwellwertdetektor 2o hat einen mit (+) bezeichneten Eingang, welcher an den Ausgang oder Anschluss 13 gekoppelt ist und einen zweiten Eingangsanschluss, als (-) bezeichnet, der mittels einer Lötstelle 21 mit dem Anschluss 14 verbunden ist. Demzui'ülge liegt der Anschluss ( + ) des Komparators auf dem Potential des Umkehreinganges oder Anschlusses 14. Um sicherzustellen, dass nur ein vernachlässigbar kleiner Strom in die Komparatoreinganggänge und aus den Komparatoreingängen fliesst, insbesondere in und aus dem Komparator-(-)-Anschluss, wird der Komparator oder Schwellwertdetektor 2o so gewählt, dass er einen relativ nohen Eingangswiderstand hat. Die-Eingangsanschlüsse sind über die verschiedenen platten des Kondensators G verbunden. Jer Komparator 2o entspricht daher in seiner Zustandsänderung den über den Kondensator 0 entwickelten Potentialdifferenzen.

Unter Runebedingungen wird das Potential am Komparator-( + )-Änaoiilu£js auf einem Niveau von (Va - VjJ gehalten, während der Komparator-(-)-Anschluss ein Potential von Vj. hat. Der Komparator 2o bleibt in Kühe, bis der Flipflop 18 zurückgestellt wird und den Schalter Y/ schliesst, wodurch die Diode D umgekehrt vorgespannt wird. Hierdurch leitet die Diode nicht mehr, da am Anschluss 14 die positive

109841 /1648

BAD ORfGiNAL

Ramp en spannung V₀ auftritt. Die Spannung V₀, -ü'igur 2A, steigt weiterhin positiv an und erreicht und überschreitet dabei .eine Schwelle, welche als variable Niveauschwelle bezeichnet werden kann und durch die Grössengleicixheit zwischen Vq una V, definiert ist. Wenn die Schwelle überschritten wird, ist die Spannung am Komparator-^+) -Anschluss positiver als aie Spannung am Komparator^-) -Anschluss und verursacht, class aer Komparator 2o so ffiinen Zustand umkehrt.

Wenn der Komparator 2o von seiner it..nest ex lung abgeschaltet wird, fällt der Spannungsausgang des Komparators in Pigur 2 B als Wellenform. 22 dargestellt, von einem Hmheniveau +V Volt auf ein negatives Niveau von -V Volt ab, welches hinreichend negativ ist, um ein NAND-Gatter 23 (nicht-Undgatter) einzuschalten. Das Gatter 23 wurde vorher uureh die auf seinen Eingang aufgebrachte positive Spannung +V in der ""uh.estelj.urig aus res ehalt et gehalten. Die Zeit, bei welcher uieser zum negativen führende Stufenübergang in der Wellenform 22 auftritt, ist als Zeit t bezeichnet und repräsentiert den Anfang eines festen Zeitintervalle T-g,, !figur 2 A, während, der die zeitliche Integration des Analogstromes I. aurch einen Impulszähler 24 getaktet wird der über das eingeschaltete Gatter 23 Taktimpulse von einer geeigneten Impulsquelle 25 für regelrrlseig ablaufende Taktimpulse erhält. Die taktimpulszählung durch den Zähler 24 während aieseö und eines nachfolgenden Zeitintervalle T— ist in ^igur 2 0 dargestellt.

Das Gatter 23 bleibt eingeschaltet, bis der iZo'fiparator 2o dadurch in s-ine -äüie^s teilung etriggert wird, dass die Spannung X^ V₀ zur Schwelle zurückkehrt und diese überschreitet una d&bei am komparator-(+)-Anschluss ein Potential hervorruft, welches negativer i;:t ;.ls das Potential am Komparator-(-)-Anschluss. Der Zeitpunkt, zu dem

1 0 9 8 4 1 / 1 B 4 8

BAD ORIGINAL

dies geschieht, ist in Figur 2 A mit t bezeichnet. Durch Ausschalten des Gatters 23 wird bewirkt, dass der Zähler ?A die Zählung der Taktimpulse beim Überschreiten des Schwellenwertes einstellt, Im Anschluss an den Zeitpunkt t . kann die Impulszählung des jetzt-stabilisierten Zählers

24 dekodiert und mittels eines konventionellen Dekodier- und Darsteilungskreises aargestellt werden, welcher im ganzen mit 26 bezeichnet ist, verigleiche Pigur 1. Hierdurch wird eine sichtbare, Digitaldarstellung der Ü-rösse der Spannung V. erzeugt. Diese Darstellung bleibt beistehen, bis ein nachfolgender Konversionszyklus beginnt.

Der Anzieheingaiig S des j?lipflops 18 ist mit einer ausgewählten Zählstiife aes Zülers 24 verbunden, und erhält von dieser Stufe einen Impuls, welcher den ilipflop in seine Anziehst ν llui.g ti'iggert, um mit der Entladung des Kondensators 0 zu beginnen, wenn der Zähler eine bestimmte Anzahl von Taktimpulsen zählt. Der Trigger impuls für den !Flipflop kann ein »Spannungt-impuls sein, v/elcher durch .-.ie ausgewählte Zählerstufe erzeugt v/ird, wenn der Zähler eine Voil-Skalenaäiilung erhält und beim erneuten Zyklus überfliesst. In jf'igur 2 B bezeichnet t_f den entsprechenden Seitpunkt während des Ivonversionszyklus.

Der iTlipflop 18 uiid der Inpuls-zähler 24 werden „leichzeitig durch Aufbringen eines xiü.-kstellinpulses 26 zurückgestellt. Dieser InpulgPvon .iner geeigneten Signal quelle abgeleitet una auf den Flipflop und auf den Zähler aufgegeben, wenn ein Konversionsz_v klus eingeleitet -.verden coil, xiei dem aargestellten Ausführungsbeispiel virä ein Hi.ick-Ktellimpuls aiifgegeben, um den Zähler auf eine vorher bestimmte Startzbhl zurückzustellen, beispielsweise auf vollständige Kulien, und um den i'lipflop in seine üück-Htell.stallun,; zu triggern,

1098ΛΊ/16Α8

SAD

Beschreibung der Wirkungsweise des in !Figur 1 dargestell ten Ausführungsbeispieles.

In ^iLuhe hält die positivere Spannung Y am Anschluss 14 den Komparator 2o in Kühestellung, wodurch der positive Komparatorausgang +V, Figur 2 B, das Gatter 23 ausgeschaltet halt. Der Schalter 17 wird durch den Spannungsausgang des ?lipflops 18 offen gehalten, der sich in Anziehstellung in Huhe befindet. Der Dekodier- und Darstel lungskreis 26 liefert eine fortdauernde Digital-Darstellung der Grosse der Spannung V., kh welche während eines vorhergehenden Konversionszyklus von der Integriervorrichtung aufgenommen wurde.

Ein Konversionszyklus wird dadurch in Gang gesetzt, dass c er Rückstellimpuls 28 auf den ÜTlipflop 18 und auf den Zahler 24 aufgegeben wird, wodurch der Plipflop zurückgestellt, der Schalter 17 geschlossen und der Zähler 24 auf eine -estimmte Startzählung zurückgestellt werden.

Beim Schlüssen des Schalters 17 wird der Kondensator 0 durch den zwischen den Abschlüssen 13 uno. 14 fliessenden Analogstrom I^ aufgeladen. Das Potential am Anschluss 13 steigt von einem Halteniveau von fy. - V^) positiv an, bis die fliessende Schwelle (V gleich V,) des Kompara-

(J Ji.

tors 2o erreicht und überquert wird, i'ifjur 2 A. Dies geschieht zum Zeitpiunkt t_QO Angenommen, dass die Integration linear erfolgt, ist die Flankenneigung der ersten, ansteigenden S-pannungs-V/ellenform, die von der üciiwellenebene ausgeht, direkt zur Grosse der Spannung Y. proportional. Zum Zeitpunkt 5 t und in Abhängigkeit von der jetzt etwas positiveren Spannung am ( + )-·i^ingangsansciiluss des Komparators 2o wird der Komparator aus der Ruhestellung heraus_t;esche.ltet, erzeugt an seinem Aiujjan^ 22, Fi.oir 2 B eine negative Stufe uüq .stellt nier-iurch das ■J-.Li.'.!· <:.' an, ο uar?s TaKtimpulse von der Quelle 25 zum

1098^1/1848

BAD ORIGINAL

Zähler 24 passieren können. Der Zähler 24 zählt weiterhin Taktimpulse, bis eine feste Anzahl von Impulsen gezählt worden ist, woraufhin eine ausgewählte Stufe des Zählers einen Impuls auf den S-Singang des Flipflops 18 gibt, der den Flipflop in seine Anziehstellung triggert, Der Flipflop springt zum Zeitpunkt t^, Figur 2 A, in seine -^-nziehstellung um, wobei gleichzeitig der Schalter 17 geöffnet wird.

Der Schalter 17 ist also für ein festes Zeitintervall T-n, Figur 2 A, geschlossen, nachdem der erste Flanken- oder Rampenanstieg die Schwelle überschreitet. Die Spannung V , welche in diesem Intervall erzeugt wird, kann durch die folgenden Gleichungen definiert werden:

^VA - ^VB dt (1)

C J R

Unter den vorher angenommenen Bedingungen, dass V-g = 0 ist und dass der Schalter 17 den ötromfluss nur einen vernachlässigbaren Widerstand entgegensetzt, reauziert sich (1) zui

+ σ \ Za it = v_A + ^ \Ia. (t_f - t_o)

Dä(t_f - t₀)= T^ ist, folgt:

(2)

Aus CrI¹UnUen, üie bereits oben diskutiert wurden, verursacht die öffnung d>.;i Schalters 17, days nur der xieferensstron I durcn aen Widerstand n fliegst und dass die duroh

10 9 8 4 1/16 4 8

den Kondensator G gesammelte Ladung während aes Intervalls Τγ mit konstanter Rate abgezogen wird, Figur 2 A. Während dieses zweiten Zeitintervalles des Konversionszyklus, welches mit dem Zeitpunkt t„ beginnt, kann also die Wellenform der Spannung V als eine zweite Rampe oder Flanke charakterisiert werden, welche rückwärts mit einer Neigung auf die Schwelle zugerichtet ist, die direkt zur· ü-rösse des otrones I^ proportional ist. Der Zähler 24 empfängt und zählt weiterhin Taktimpulse, bis diese zweite Flanke wiederum bei einem Zeitpunkt t. , Figur 2 A, die Schwer e kreuzte Zum Zeitpunkt t tritt der Komparator 2o als Antwort auf eine entsprechende Uukehr der öpannungspolarität zwischen den Komparator-(+)- und dem Komparator-(-)-Anschluss in Tätigkeit und kehrt sich in seine Ruhestellung um. .Durch Umkehrung in diese Stellung schaltet der Komparator das G-atter 23 mit einem positiven, stufenförmigen Spannung s au s gang aus, Figur 2 13, wodurch die Impuls zählung aurch den Zähler 2^- gestoppt wird. Die während des Zeitintervalles zwischen t„ und t, erzeugte Spannung V (das

J- JrL \J

Zeitintervall ist in Firur 2 B Lit T-, bezeichnet) kann

A.

uurch die folgenden G-leicLun-en definiert werfen;

Da fctac (t - t-) = Tr, folgt:

Die Gleichungen (2) una (3) sina kontinuierliche Funktionen der abhängigen Variablen Y ■
werden, v/o durch sich ergibt:

der abhängigen Variablen Y und können daher gleichgesetzt

X V-φ- = .A oder (4) ■

109841/1648

BAD ORIGINAL

(5)

Da die Werte von Tj₁, I-o und R in den Gleichungen (4) und (5) während der Konversion konstant sind, ergibt sich, dass das Zeitintervall Τ_χ direkt zur G-rüisse der Analogspannung Y. proportional ist. Indem aas Zeitintervall Tv mit Taktimpulsen in der oben beschriebenen lieise ■'.?? ^¹ *.-^ >.-stimmt wird, wird die G-rösse der Analogspannung Y, in den Zeitbereich umgewandelt, und dann in eine Digitaldarstellung der Spannungsgrösse verwandelt.

Dadurch, dass eine vorgegebene Spannungsgrösse für V-n vorgesehen ist, welche einen Bruchteil der vollen G-rösse der Analog-Eingangsspannung V^ darstellt, für welche der Konverter ausgelegt ist, wobei diese Spannung im folgenden mit V, (jjigf bezeichnet wird, ist es möglich, dass Signal—Rau sch-Verhältnis in vorteilhafter v/eise zu steigern, indem aie G-rösse des Analog-Stromes gesteigert wird, der durch den Widerstand R und den Kondensator C fliess.. Der Zusammenhang zwischen den absoluten G-rössen V-^ und V. ,-ja» , d.li. , ohne Berücksichtigung der Polarität einer dieser G-rüssen, kann dann allgemein durch aie j-leiciiur.=: V-. =ϊΓΥλ ί'-qig) · 3abei ist K eine Konstante-, die kleiner als 1 ist, beispielsweise 1/1 ο, 1/5 oder 1/4, entsprechen! äen ImpulsZahlungen 1oo, 2oo oder 25c bei dem dargestellten Vier-Dekadeii-zähler 24.

bei α ei.: sh vor stehend besclirieber.e;-! Ausführungsbei spiel vü2. j'i;ur 1, uei den angein,rmeii ist, dass V = null ist,

at der ir. ',/iaerstaiid R flieesenae Strom nach dem öciiiie- if.en aes Sci^alters 17 kein« Komponente, v/tiene V_rt zuzuordnen w.ire. Der Zähler 24 registriert nur :.en Digitalwert von V^ am 3näe jedes Konversioiissykluö. Ja ausseruem V-j rleich null i?t, weil aie G-rüsse V.. (_V^-\ in ae;¹ 'J-I V = 1,'V■ · , .% niciit nt./l ist J.■! -. d-^r-s3 '" ■-!>■-* cn um istc

1 02BL 1 / 1 R^ 8

BAD 0?»!*>iWA-i.

Wenn V_n einen von null Volt abweichenden Wert hat, so erscheint diese Spannung während derjenigen Zeitintervalle, in denen der Schalter 17 geschlossen ist, als Analog-Iiingangssignal am Integrator. Unter bestimmten Umständen kann es günstiger sein, dass die Digital-Darstellung, welche durch den Konverter geliefert wird, lediglich die Sijannungsgrösse V^ wiedergibt, nicht jeuoch Va kombiniert mit einer Absetζspannung wie beispielsweise V-g. Unter anderen Umständen kann es wünschenswert sein, die Differenz zwischen V^ UHD V-g digital darzustellen. Diese Darstellung kann offenbar P direkt vom Zähler 24 gewonnen werden. Bei den früheren Beispielen kann diejenige Komponente des Stromes im Widerstand R, welche V_x, zuzuordnen ist, dadurch kompensiert werden, dass der Zähler 24 so vorher eingestellt wird, dass er eine geeignete Kompensationszählung registriert, wenn er den Rückstellimpuls 28 erhält. Dies lässt sich an folgendem Beispiel illustrieren: yiir positive Werte von V_n und V₁₃, wobei V₁₃ ein Bruchteil

A JJ -D

von V./^g\ist, wird der lletto-Stromfluss im Widerstand R um einen Betrag V^. /R reduziert. Der Kondensator C lädt sich mit entsprechend langsamerer Rate, una am xinde des Ty Intervalls registiert der Zähler 24 einen Zähl- ^ wert, welcher gleich ÜV. - V-^) ist« Wenn der Zähler von Anfang durch einen Zahlenwert, welcher Vr, gleicnt, auf einen Wert von weniger hIs null (0000) gestellt ist, ermöglicht es der Zähler, indem er von diesem Anfangswert aus durch null hindurchzählt, dass der Kondensator 0 eine zusätzliche, gleiche Zeitspanne erhält, in welcner er sich auf ein höheres Niveau im Intervall Τ_Ώ aufladen kann, welches dem Zeitintegral von Va allein entspricht. Umgekenrt, wenn Va positiv und 3J Vp. negativ ist, wird der Netto-Stromfluss um den Betrag V_B/R erhöht. Eine Kompensation dieses zusätzlichen Stromes kann dadurch erreicht werden, dass der Zähler 24 auf einen grösseren

109841/1648

Wert vorgestellt wird, welcher-dem Zählwert von V-n entspricht*·

In ähnlicher Weise kann der Zähler 24> wenn sowohl V. als' auch V-n negativ sind, anfänglich auf eine Zahl unterhalb null gestellt werden, und.zwar .um einen Betrag, welcher dem Zahlenwert von V-n entspricht. Ein negatives V» und ein positives V- erfordern, dass der Zähler auf einen grösseren Wert als null vorgestellt wird, gleich dem Zahlenwert von V-g e Ein negatives V. erfordert eine Vorzeichenumkehr gegenüber der Darstellung in Figur 1 an der Stromquelle 16 und an der Mode D sowie eine Vertauschung der Integratorverbindungen zu den (+)- und (-)-Eingangsanschlüssen des !Comparators 2o.

liegt V-g nicht auf Erd-oder S Chassipotential, so kann der Konverter geeicht werden, um Spannungen Rechnung zu tragen, die durch den Stromfluss in die Spannungsquelle V-n erzeugt werden. Andererseits kann auch die Quelle so ausgewählt oder ausgelegt werden, dass sie einen inneren Widerstand hat, welcher im Vergleich mit dem Widerstandswert des Widerstandes R vernachlässigbar ist.

Obwohl die Umwandlung γοη iaonopolaren Analog-Bingängen vorstehend mit einem Vn von null Volt beschrieben ist, kann der in einer Richtung wirkende Impulszähler 24 auch bei der Umwandlung oder Konversion einer bipolaren Eingangsspannung V. verwendet werden, indem eine zusätzliche Stromquelle (nicht gezeigt) vorgesehen ist, welche der Stromquelle 16 ähnelt, jedoch das umgekehrte Vorzeichen besitzt, wobei eine geeignete Logikschaltung (nicht gezeigt) a Anwendung findet, die in Abhängigkeit von einem Vorzeichenwechsel von Va die richtige der beiden Stromquellen mit dem Anschluss 15 verbindet.

Bine zusätzliche Schaltung ist auch erforderlich, um

109841/164 8

die Polarität der Diode D und die Verbindungen mit den Eingangsanschlüssen des !Comparators 2o gleichzeitig mit der Umkehr der V.-Polarität umzukehren.

Beschreibung des Ausfülirungsbeispieles von Figur 3»

In Figur 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem ein in zwei Richtungen wirksamer Zähler (aufwärts-abwärts) in Kombination mit anderen 'Schaltungseinrichtungen verwendet wira, um die einander ausschliessenden Zeitintegrationen eines bipolaren r Eingangssignales iv. und des Bezugsstromes I_R zu ba/irken. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die konstante Potentialquelle V- eine Absolutgrösse, welche N mal so gross ist wie die Gesamtgrösse der Ana log spannung V^r-ng)' wobei N eine Zahl grosser als eins ist, beispielsweise 1,1, 1,5 oder 2,o. Pur ein gegebenes System hat V-g nur eine Polarität und wird negativ, wenn die Stromquelle 16 in der in Figur 3 gezeigten Weise gepolt ist. Infolgedessen kann T„ = V^ (tpq\ gemacht v/erden, und zwar mittels der Gleichung V-g=

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der ]?lipflop 18 in der folgenden noch beschriebenen Weise modifiziert. Dementsprechend ist der Flipflop in i'igur 3 mit 18* bezeichnet, während der oben beschriebene, nur in einer Richtung wirkende Zähler 24 durch einen in zwei Richtungen wirkenden Zähler 24' ersetzt ist. "Der Zähler 24' ist ein konventioneller Iripulszähler, welcher anfangs aufwärts oder abwärts zählt, wenn er Taktirupulse von der Impulsquelle 25 erhält, wobei die Zählung bei einer bestimmten Zahl beginnt, auf welche der Zähler vorder bzw. anfangs zurückgestellt worden iot. -^ie SählricLtung hi'ngt davon ab, welche von zwei Zählrichtun^-St-i^e tungen durch eine Spannung beaufschlagt wird.

109841/1648

BAD ORIGINAL

Die Zählrichtung des Zählers 24' wird durch einen J-K-Flipflop 29 gesteuert, der einen mit einem Leiter 3o verbundenen Rucksteilanschluss aufweist, über den er die llücicstelximpulse 28 empfängt. Weiterhin weist der J~K-]flipflop 29 zwei Ausgangsanschlüsse auf, die an jeweils eine von zwei Zählrichtung-Steuerleitungen 31» 32, augesanlassen sind, um eine die Zählriautung bestimmende Spannung auf eine der Leitungen aufzugeben, je nachdem Zustand des ?lipflops 29· -^ine derartige Spannung auf der Lei tun;: 31 lässt den Zähler 24' aufwärts zählen, während eine entsprechende Spannung auf der Leitung 32 den Zähler 24' abwärts zählen lässt. Wenn der ^'lipflop 29 durch einen Impuls 28 zurückgestellt ist, erzeugt er eine Spannung auf der aufwärts-Zähl-leitung 31> welche es ermöglicht, dass dor Zähler 24' von der Zaiii an, auf welche er surnekges eilt war, aufwärts zählt, -^in anderer Anschluss des ?lipflops 29 ist durch eine Leitung 33 mit einem bestimmten Pun^t in der Zählkettenschal fang ver-Dundeii, welcher einen Spannungsimpuls erhält, wenn der Ziuiler eine bestimmte Zahl registriert, typischerw^ise e i iie '■; ο 11 ζ äiilung.

Zur Jrleichte'."ung des Yer^t^.ndHisses dieses Ausführun 'S-ceisi)i^les -,:i:*d ar. .::cmi!:trn, V./-,_o\ durch tausend Zählimpulse re\-r-"-.sentier± werden .-oll. Der Zäiiler 24' wird als ..iincirl:oaier"_uer Vield-icc-.den-De^imalzäixler angenommen, der in einer Hierlang eine Zählkapazität von Iooo Impulsen i.at uiia uiie uinüren nulls (oooo) registeriert, wenn er .zurück.-estel Ιτ ie χ. Wenn der Schalter 1? geschlossen ist, er?,- eii-t aie bpannuii;.; V-g als konstantes oder Äbset ζ signal für den Integrator während des ersten Integrationsintervalies. Um das System \ollkommen hinsientlieh dieser Versetzung (offset) zu kompensieren und es hierdurch zu verhindern, dass V-g einen 2eil der Digitaldarstelluni· von V, bildet, wird die absolute Grosse von V-g so ausgewählt, dass sie in ihrem Zahlenwert der äiiirichteungs- Zählkapazität

109841/16 48

BAD ORIGINAL

des Zähler», welcher aus der zurückgestellten Stellung startet, äquivalent ist. Auf der üasis dieser Annamne wird V-g also gleich 2Vw^gN gewählt» Es folgt, dass der Wert von Έ in der allgemeinen Gleichung oben lautet j

= ][b = 2ooo = 2

1ooo

Nachdem er zurückgestellt worden ist, bleibt der Zähler 24' passiv, bis das Gatter 23, welches die Übertragung von Taktimpulsen auf den Zähler steuert, durch den Komparator 2o passierbar gemacht wird. Wenn dies geschieht, zählt der Zähler 24' 2ooo Impulse und produziert dann einen Impuls (oder Trägersignal) auf der Leitung 33, welcher den Flipflop 29 in einen Zustand triggert, der die Abwärts-Zähl-Leitung 32 durchgängig macht. Der Impuls auf der Leitung 33? der eine bestimmte Zeit nach dem Zieitpunkt auftritt, zu dem der Zähler 24' Taktimpulse zu zäulen beginnt, wird auch auf den S-Eingang de.s Flipflops 18' gegeben, wodurch dxeser Irlipflop getriggert wird und seinen Zustand ändert, wobei der Sc. alter 17 geöffnet wird. Der ilipflop 18' unterscheidet sich von dem 5¹IiPflop 18 dadurch, dass . d^s Signal mittels einer Leitung 34» welche den ΪΙχρίΊορ-Ausgang und den S-i^ingang verbindet, rückgekoppelt wird. Dieses Rückkoppelnngssignal uewirkt es, dass der ilipflop auf v/eitere Impulse vom Zä ler 24 ' nicht mehr anspricht, bis der Plipflop erneut durch einen nachfolgenden Impuls 28 rückgestellt wird.

Während des ersten Teiles jedes Konversionszyklus, während der Schalter 17 geschlossen wird, lässt sich die Spannung über den Kondensator C durch die Gleichung (1) definieren, welche in der folgenden ϊο,.·πι geschrieben ve r de η kannj

R "ο \

109841/1648

Bezeichnet man die Spannung an der Anode der Diode D als

λ *\Γηι» ^{s0 er}giöt sich, dass die Grosse V^ in der vorstehenden Gleichung durch die Grosse Y_Q1 ersetzt werden kann. Figur 4 gibt diese Änderung in der Bezeichnungsweise wieder. Daraus folgt:

(IT₀-

■» rc

" ¹

B\ dt

(7)

Ig

(8)

Wenn der Spannungswert der Absetzspannung V-g lässt sich Gleichung (8) schreiben als:

dt (91

Angenommen, dass N gleich· 2 ist, wird aus Gleichung (9):

+ 27

A(PS)

dt

Die Lösung ergibt:

RG

- t ) ist.

Mr negative Werte von V. nimmt Gleichung (1o) die Form an:

(1oA)

109841/164

Wie ein Vergleich der Gleichung (io) und (1oA) ergibt, wird am Ende des jjtxix !^-Intervalls und mit einem Έ, welches grosser als 1,ist, die Spannung über den Kondensator 0 durch zwei Spannungskomponente gebildet. Eine Komponente welche der Spannung Vq zuzuordnen ist, hat eine absolute Grosse, welche höher ist als der vollständige Wert V^o Eine-zweite Komponente kann der Analog-Eingangssparmung "Va zugeordnet v/erden und wird entweder zur V-g—Komponente addiert oder von dieser subtrahiert, je nach der Polarität von V^o Zur Erleichterung des Vergleiches sina in der folgenden Tabelle die verschiedenen möglichen "werte von ('Vo""*lioi^ während des ^-Interval les des Konversionszyklus gegenüber den entsprechenden Werten von V. dargestellt.

Tabelle

Polarität und Grosse des TZ Einganges V^(I¹S=VoIIaUs- ((J - ]f ) schlag, vollständiger Wert) O ^υΟ1

+ o,5 PS

Da die V^/pg^ zuzuordnende Spannungskomponente eine iconstante Grosse hat, kann sie in dem betrachteten System als Konstante angesehen werden, unu. lässt si au u^her aus der digitalisierten Darstellung, von V. absondern, indem man es ermöglicht, dass der Zähler 24* auf eine VoIl-

109841/1648

zählung hinauf zählt, welche 2V^/^g\ entspricht oder auf 2ooo Zählungen, und dass der Zähler von diesem Zahlenwert aus herunter zählt, wenn der Referenzstrom I„ den Komparator C während des T^-Intervalls entlädt.

Während des Intervalls Τ_χ ist der Schalter B. offen, so dass Vg vom ^ingarig der Integrier-Schaloungsanordnung abgeschaltet ist. Dementsprechend lautet die Gleichung, welche die Spannung [C wälirend dieses Intervalls definiert:

1 γ i_R dt (11) t

Indem SA V» durch (J_n1 ersetzt wird, folgt aus Gleichung (11):

Die Lösung ergibt:

v/o bei T^ = (t_x - t_f) ist.

is ist klar, daes die jlcichun_f; (.12) der Gleichung (3) bei den \ o^'stehend oesciiriebenen ^i'Si'üIirun^sueispielen eilte -riv^ix.

z;eri aea? ^leicnung (1o) und (12) ergibt den folgenden Ausviruuk für T-- für verschiedene V/erte von V. :

1_HH -T^ (13)

Konstante V/erte für jeden Ausdruck der G-rösse T-_n werden

aurch die besonaere Ueit-öpa:mung-Beziehung

1098^1 /1648

"bestimmt, weiche zwischen Τ_χ UlT^ V^ erwünscht ist. Daher kann diese G-rösse als konstanter Skalierfaktor K betrachtet werden, welcher typischerweise Werte von 1, 1o oder 1oo hat, wenn als Impulszählvorrichtung ein Vielstufen-Dekadenzähler in dem Konverter verwendet wird. Dementsprechend kann Gleichung (13) in der Form des Τ_χ = V^K + V-(^gNE dargestellt werden. Dabei kann V^ eine positive oder eine negative Grosse sein. Wie "bereits oben erwähnt, ist auch die Grosse ^u-wq) eine Konstante und kann vollständig aus der Digitaldarstellung des Einganges V^ entfernt werden, indem man ermöglicht, dass der Zähler 24' von NYa r-u-a iⁿ absteigender Ziffonfolge abv/ärts zu zählen i b

beginnt, so dass mit V^ = 0 der Zähler 24' einen Fullausgang (oooo) und für andere Werte von V, eine Digitaldarstellung dieser Werte liefert, die keine Versetzung V-g aufweist. Auf diese V/eise wird zwischen der unabhängigen Variablen Ty und der abhängigen Variablen + Y., wie durch die (13) gefor-dert, eine direkte Proportionalität 3"^-I r'-'-t-

Ir '"¹C-- -Ι^Λ-^λ-'. - j "·τ^ — -~^ΤΑ(πα) kann II auch einen Wert -tiins haben, solange Y-^ nicht gleich minus V. ist, weil in diesem ifell gleiche Spannungen ^n entgegengesetzten iinäv-n des Widerstandes R auftreten und kein jletto-Stromfluss durch diesen hinuurch stattfindet. DaJ".er könnte der Kondensator 1o in diesem Fall während des Intervalls Tp nicht geladen werden.

Beschreibung der Wirkungsweise des AusführungsbeiSpieles von Figur 3

Die Wirkungsweise des in 3?i_txir 3 dargestellten Ausführungsbeispieles lässt sich kurz folgendermassen darstellen: Ein Konversionsz, klus wird dauurch in Gang gesetzt, dass der liückstellii'ipuls 28 erzeugt wird, v/eloxier den Zahler 24' auf null zurückstellt. Der Flipflop 29 wird zurückgestellt,

1 0 9 8 U 1 / 1 6 A 8

BAD ORIGINAL

so dass die Aufwärts-Zählleitung 51 in der Zählkette eingeschaltet wird. Der Plip-Plop 18' wird zurückgestellt, welcher v/i e der um den Schalter S- schliesst. Der Kondensator C wird dann durch einen Analogstrom

aufgeladen.

Wenn die Differenzspannung von (*\C - 1/q.j) über den Kondensator 0 gleich null ist, ändert der Komparator 2o seine Stellung oder seinen Zustand, öffnet das Gatter 23 und lässt !Paktimpulse von der Quelle 25 zum Zähler "24* f lie ssen. Wenn 2ooo Taktimpulse gezählt sind, wird durch den Zähler 24¹ ein Ausgangsimpuls erzeugt und über die Leitung 33" übertragen, so dass der i^Tlipflop 18' angestellt wird. Der Schalter S₁ v/ird durch den i'lipflop 18· geöffnet und ändert seine Stellung, so dass der Heferenzstrom I-, den Kondensator G entladen kann« Wird die Rückkopplung durch die Leitung J54 aufgegeben, so klinkt der Flipflop 18^f auf und wird.von einem nachfolgenden Ausgangsimpuls auf der Leitung 33 nicht mehr beeinflusst, bis er wieder zurückgestellt wird. Wie nachfolgend klar werden wird, v/ird ein derartiger Impuls ciurch das Zurücklaufen des Zählers 24' erzeugt, so daws eine Digitaldarstellung positiver Werte von V, gewährleistet ist.

Dieser Impuls auf der Leitung 33 wird auch dazti verwendet, aen !«'lipflop 29 zu verschränken, ao dass dieser seinen Zustand i-lndert und die Abwärts-Zänlleitung 32 frei gibt. Wenn der lieferenzstrum I™ den Kondensator ö entlädt, zählt der Zähler 24' -von 2ooo bis ο herunter, in Übereinstimmung mit der Polarität und Grosse von V._o

Wenn V^ *^ra Verhältnis zum Brdpotential negativ ist, v/ird der Schwellenwert (IC -"\C)j) = 0 erreicht, ehe der Zähler 24*

10 9 8 41/16 4 8

- 3ο -

eine Hullzählung registriert. Die Zählung im Zähler liefert dann eine direkte 'numerische Darstellung der G-rösse von V^a

Wenn V. gleich null Volt ist, wird die Schwellenspannung zum Iriggern des !Comparators 2o erreicht, v,^renn der Zähler 24' eine Zählung von 0000 registiert.

Wenn Va ρsitiv ist, zählt der Zähler 24* bis 0 herunter und erzeugt dann einen Ausgängsimpuls auf aer Leitung 33» der den llipflop 29 umspringen läss'o, so dass wiederum die Aui'wärts-Zählleitun_- 31 beaufschlagt wird. Vielt ere Impulse erscheinen als Aufwärtszählung im Zähler 24'· Aus weiter oben beschriebener. G-rün.-en sprich"., eier Zustand des Flipflops 18' auf diesen Impuls au- der Leitung 33 nicht an. Wenn die Schwellen be ding ung Cfo "*Uoi) ⁼ ^ erreicht ist, ist die von dem Zähler 24' registrierte Zahl wiederum direkt zur G-rösse von +V. rationale

isei jedem der drei üben aufgeführten iälle ändert der Komparator 2o, sobald der Schwellenwert gekreuzt wird, seinen Zustand und schiitsst das G-atxer 23 > wodurch die Impulszählung beendet wird. Das System bleibt nun in einem passiven Zustand, bis ein anderer Rückstellicipuls 28 erzeugt wird, so dass ein weiterer Konversionszyklus besinnt.

-o^J

In Pigur 4 bezeichnet das Leaugszeichen J>b die Zv/eiflanken-Wellenx'orm, welche von ueia hier beschriebenen Äusfühi-un^sbeispiel erzeugt v/ird, wenn axe Analog-^ingangsspannung Y, einen positiven Vollausschla₀-s-wert hat. Das uezugszeichen 37 bezeichnet die Wellenform, welche erzeugt wird, wenii diese Spannung gleich null ist. Das .nezugszeichen 38 bezeichnet die Weilenform, die erzeugt wird, wenn diese Spannung gleich dem halben Vollausscnxa,-; ist. La« Bezugszeichen 39 bezeichnet die Wellenform, welche erzeugt wird, wenn diese Spannung einen negativen Vollausschlag uat.

109841 /1648

BAD ORIGINAL

Bei jeder Wellenform ist die Neigung der ersten Flanke von der G-rösse der Spannung V^ und'V^ abhängig. Die Neigung der zweiten Planke hängt von der G-rösse des Referenz siromes I_ ab und ist unabhängig von V- und Y_x..

Wenn V-o positiv gemacht wird, muss die Polarität der Span nungsquelle 16 gegenüber der Darstellung von Figur 3 umgekehrt werden. Unter diesen !bedingungen wurden die Flanken 36 una 38, Figur 4, minus V. (™q\ und minuso,5^u-n entsprechen, während die Rampe 39 ⁺Vk(-®<3) entsprechen würde.

-^s ist offensichtlich, dass, obwohl nur ein einfacher Eingangs- ou.er Analogschalter 17 in Verbindung mit der Integrationsschaltung verwendet wird, die Neigung der zweiten Planke oder Mampe, welche während des variablen Zeitintex'valls Τγ erzeugt wird, eine direkt Funktion der u-rösse des Refereuzstroaes, jedoch keine funktion der G-rösse des Anaiogsignales is\.

Durch die Erfindung,wird es, wie dem _'achmann ohne weiteres klar ist, ermöglicht, entweder ein monopolares oder ein bipolares Analogsignal Im zeitlichen Hahnen eines einsigen Konversionszyklus präzise umzukehren, ohne dass einer der bekannten Vorteile verloren ginge, die mit der Iiiue^r ation ve r buna en sind.

109841/1648

BAD ORIGINAL

Claims

Ansprüche :

1· Analog-Zeit-Umwandlungssystem mit einem Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad, der einen signalumkehrenden und einen nicht-signalumkehrenden Eingang sowie einen Ausgang aufweist, Leitungsvorrichtungen zum kontinuierlichen Aufgehen eines Analogsignales auf den nichtumkehrenden Eingang während eines Umkehrzyklus, der aus zv/ei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen "besteht, wobei das erste Zeitintervall von im wesentlichen fester Dauer ist und das zweite Zeitintervall für die Grosse des iurialogsignales repräsentativ ist, einer Reaktanz an Ordnung, v/elche den Verstärkerausgang mit dem sign-alumkehrenden Eingang verbindet und dazu dient, ein Signal mit einer Rate zu speichern, welche eine Punkxion der örösse des während des ersten Zeitintervalles auf den nioht-umkehrenden Eingang aufgegebenen Analogsignales ist, und einer Referenzstrom-Quelle, welche mit der ^eaktanzanordnung gekoppi _;.t ist und dazu dient, während des zweiten Zeitintervalles das Signal mit im wesentlichen konstanter Rate von aer Reaktanzanordnung abzuziehen, gekennzeichnet durch einen widerstand (R) , v/eicher ständig den umkehrenden Eingang (14) mit der Mei'erenzsi'rom-Quelle (16) verbindet; und einer b'c-_&.lxunjsvoj'riCiitun_fc; (17) zum Verbinden .-er Heferenzs-troncuelie und des Wiuerstände.-.; (R) i.it einer 3panm.m_t-;s-.uelle während des ersten Ceitintervulies, .-.^bei die bpaiiri-angsquelle eine Spannung aui'vrtiict, die v.~ i' einen bestiroaten \7ert oes Analogsignal es bezögen ist, und zum unterbrechen der Verbindung zv/ischen deiü '.Widerstand (R) und der Spannungsquelle während des zweiten Zeitintervalle s.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinrichtung ein einpoliger Einregelscr.alter (17) ist.

109841/1648 _BAD ORIGINAL

5ο Anordnung nach Anspruoli 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass' die !bezu_t?sspannungsquelle auf ürdpotentilal liegt»

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute (irösse der Spannungsquelle auf die vollständige Spannungsgrösse des Analogsignales bezogen isto

5ο Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute G-rÖsse der Spannungsquelle ein Bruchteil der vollständigen Spannungsgrösse des Analogsignales ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch .ekennzeichnet, dass die absolute ü-rösse der Be zug sspannungs quelle grosser ist als die vollständige Spannungsgrösse des Analogsignales.

7. Anordnung nach Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute trosse der Spannungsquelle zweimal so gross ist 4 wie die vollständige Spannungsgrösse des Analogsignale s.

B, Anordnung nach -Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltungseinriehtungeine geöffnete und eine geschlossene Stellung aufweist, gekennzeichnet durch einen Verbindungspunkt (15), welcner gleichzeitig an einem !Ende der Schaltungseinrichtung (17), der Referenzstromquelle (16) und des Widerstandes (R) liegt, wobei der Widerstandswert des Widerstandes im wesentlichen grosser ist als der Widerstand des elektrischen Schaltkreises, welcher zwischen dem Ver-Dindungspunkt (15) und der Spannungsquelle beim Schließen der Schaltungseinrichtung (17) hergestellt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei die Spannungsquelle eine niedrige Impedanz aufweist und in ihrer absoluten Trosse

10984 1/1648 - 3 -

im wesentliehen gleich null ist, dadurch, gekennzeichnet, dass die Referenzstromquelle (16) und die bcnaltungseinrichtung (17) Mit einen Anschluss gemeinsam an die Spannungsquelle und nit dem anderen Anschluss ijeiddinsani mit dem Verbinaungspunkt (15) gekoppelt sina, to aass bein: Schliessen der Schaltun^seinrichtung (7) die lieferenzstromquelle zu der Spannung quelle parallel geschaltet wird.

1o. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sehaltungseinrichtung (17) eine ]?estkörpereinrichtung mit niedriger Impedanz ist.

ο Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung zum festhalten des Potentials am Verstärkerausgang (12, 13) auf im wesentlichen einem Niveau vor dem Schliessen der Scj ^aI tungs einrichtung una vor dem ersten Zeitintervall; und einen mit dem Ausgang des Verstärkers (12) und mit dem Umkehrenden Anschluss des Verstärkers (12) gekoppelxen Spannungskomparator (2o) zur Erzeugung eines Ausgangssignales in Abhängigkeit vom Potential am Verstärkerausgang, welches wenigstens gleich dem bein Schliessen der Schaltungseinriclitun (17) am umkehrenden Eingang vorliegenden gleicht.

12. Anordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen mit dem Spannungskomparator (2o) gekoppelten Impulszähler (2.4)» welcher-auf dessen Ausgangssignal anspricnx und zum Ingangsetzen des ersten Zeitintervalles dient.

13. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, zum Umwandeln eines bipolaren Analog-Bingangssignales, wobei das Abziehen des in der Reaktanz an Ordnung gespeicherten Si^:.-. ales eine Rampens}.annun_c;s-Wellenform aiii Verstärker aus gang definiert und wobei eine Taktimpulsquelle und eine Impulszähl vorrichtung zur zeitlichen Abstimmung des ersten

109841/1648 - 4 -

BAD ORIGINAL

und des zweiten Zeitintervalles vorgesehen sind, dadurcri ^kennzeichnet, dass die Impuls zählvorrichtung einen in zwei dichtungen wirkenden Impulszähler (24') aufweist, der durch die Taktimpuls quelle (25) "betrieben wird; und dass an dem Verstärkerausgang eine Vorrichtung angekoppelt ist, welciie in Abhängigkeit davon, dass die Rampenspaniiui:_£- einen Schwellenwert erreicnt, die {Taktimpuls quelle (25) vom Zähler (24') trennt, so dass der Zähler eine Ji_ßl t al dar st ellung der li-röGse der Analogspannuiiij liexerx.

109841 /1648

BAD