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Analog-Digital-Umsetzer nach dem Doppelintegrationsverfahren Die
Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer (auch AD-Wandler genannt), der
nach dem bekannten Doppelintegrationsverfahren arbeitet. Bei diesem Verfahren, das
z;B. in dem buch ton Tietze und Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", 2. Auflage,
1971, auf den Seiten 536 und 537 beschrieben ist, wird die analoge Meßspannung irr
einem Integrierer während eines durch eine vorgegeben Anzani von Takten, eines Taktimpulsgenerators
festgelegten erstes Zeitintervalls t1 aufintegriert und die dann erreichte Integrationsspannung
während eines zweiten Zeitintervalls t3 durch weitere Integration einer zur spannung
Ux entgegengesetzt gerichteten festen Referenzspannung Uref wieder auf Null abgebaut,
wobei die während des zweoten Zeitintervalls t3 auftretenden Impulse des Taktimpulsgenerators
in einem Zähler gezählt werden und der Zälherinhalt beim Null-Durchgang der Integrationsspannung
das Umwandlungsergebnis darstellt. Der Null-Durchgang wird mittels eines am Ausgang
des Integierers angeschlossenen Komparator festgestellt und das Ausgangssignal des
Komparators zum Abschalten des Zähler verwendet.
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Die größte Fehlerquelle bei diesem Verfahren stellt der erwähnte Komparator
dar. Wenn daher mit dem gleichen Analog-Digital-Umsetzer relativ große Spannungen
zwischen +10 V und -10 V und relativ kleine Spannungen zwischen +100 und -100 mV
umgesetzt bzw. gemessen werden sollen, so ist bei den zu messenden Spannungen mit
kleinen Absolutwer-ten der Fehler fiir viele Zwecks zu groß. Es ist Aufgabe der
Erfindung auch für kleine Meßspannungen eine höhere Genauigkeit zu erzielen.-Gemäß
der Erfindung ist bei einem Analog-Digital-flmsetzer nach dem Doppelintegrationsverfahren
eine Umschaltvorrichtung vorgesehen, durch die bei Meßspannungen Ux, deren Absolutwert
unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, während des ersten Zeitintervalls t1
entweder die Intervall zeit oder die Integrationszeitkonstante auf ein Vielfaches
ihrer normalen Größe umgeschaltet wird, so daß die Integrationsspannung zu Beginn
des zweiten Zeitintervalls t3 entsprechend vergrößert wird. Zur Umschaltung der
Intervallzeit kann die Taktfrequenz des Taktgenerators umschaltbar gemacht werden,
so daß die Taktzeit t2 des Einzeltaktes auf ein Vielfaches erhöht wird. Soll die
Integrationszeitkonstante ümgeschältet werden, so kann der Eingangswiderstand des
Integrierers umschaltbar ausgestaltet werden, s.ò daß bei erhöhter Genauigkeit der
Eingangswiderstand entsprechend erniedrigt wird.
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Zur Feststellung, ob der Absolutwert der Meßspannung unter halb einer
gewissen Grenze liegt, kann ein an sich bekannter
relativ ungenauer
"Fenster-Komparator" verwendet werden, wie er z..B. beschrieben ist in dem Buch
"Integrierte Analog-Schaltungen" Telekosmos-Verlag, Franck'sche Verlagshandlung
Stuttgart, Seite 84/85.
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Anhand der Zeichnungen sollen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert werden, wobei die Fig. 1 und 2 sich auf einen AD-Umsetzer beziehen,
bei dem die Integrationszeit umgeschaltet wird, während die Fig. 3 und 4 ein Beispiel
erläutern, bei dem die Zeitkonstante des Integrierers umgeschaltet wird. Fig. 5
zeigt ein Schaltungsbeispiel für einen "Fenster-Komparator" in an sich bekannter
Bauart, wie er zur Auslösung der Umschaltungen verwendet werden kann.
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Der AD-Umsetzer der Fig. 1 enthält einen Integrierer bestehend aus
einem Operationsverstärker 1, der über einen Kondensator 2 riickgekoppelt ist und
dessen Eingang über einen Schalter 3 vor Beginn einer Messung mit dem Ausgang kurz
geschlossen werden kann, um den Null-Zustand einzustellen. Die zu messende Analogspannung
U wird über einen Widerstand 4 und einen bei x Beginn der Messung zu schließenden
Schalter 5 dem Eingang des Integrierers zugeführt (der Schalter 3 wurde inzwischen
wieder geöffnet). Am Ausgang des Integrierers erscheint die mit der Zeit linear
abfallende (oder ansteigende, je nachdem, ob U positiv oder negativ ist) Integrationsspannung
ut, deren x verlauf im ersten Teil der ausgezogenen Kurve der Fig. 2 dargestellt
ist. Nach einer vorbestimmten Zeit t wird der
Schalter 5 geöffnet,
die Spannung u1 hat dann ihren Endwert U1 erreicht, der bei Kenntnis der Zeit t1
und der Integtationskonstanten des Integrierers ein Maß für die Analogspannung Ux
bzw. für deren Mittelwert während der Zeit t1 darstellt.
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Die Zeit t1 wird durch Abzählen einer bestimmten Anzahl m von Taktimpulsen
festgelegt. Die von einem Taktgenerator 6 an eine Steuerlogikschaltung 7 geliefert
werden. Diese Steuerlogikschaltung bewirkt sämtliche Schalterumschaltungen zu den
entsprechenden Zeitpunkten. Die Taktzeit des Taktgenerators 6 sei t2; dann gilt
also t1 = m . t2 und für die Endspannung U1 des Integrationsprozesses kann man schreiben
wobei R der Wert des Widerstandes 4 und C die Kapazität des Kondensators 2 sind.
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Mit der Öffnung des Schalters 5 nach Abzählen von 1 Taktimpulsen wird
im weiteren Verlauf des Doppelintergretionsverfahrens der Integrator sit einer Referenzspannungsquelle
-Uref oder +Uref verbunden, deren Spannungsvorzeichen umgekehrt
zum
Vorzeichen der Meßspannung U ist. Zu diesem x Zweck wird das Vorzeichen der Spannung
U über die Leitung 8 x in Fig. 1 abgefragt und je nachdem, ob es positiv oder negativ
ist, der Integrierer 1 über den Schalter 9 mit -Uref oder über den Schalter 10 mit
+Uref verbunden.
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Zwischen den Referenzspannungsquellen und den Schaltern liegen je
ein Widerstand 11 bzw. 12 eingeschaltet, die untereinander gleich sein müssen, aber
nicht unbedingt den Wert n des Widerstandes 4 zu haben brauchen. Die Widerstünde
11 und 12 können auch durch einen einzigen Widerstand ersetzt werden, der dann zwischen
den betreffenden Schaltern 9 und 10 einerseits und den Integriereingang andererseits
einzuschalten ist. In gleicher Weise können auch alle drei Widerstände 4, 11 und
12, wenn sie den gleichen Widerstandswert besitzen sollen, zu einem einzigen Widerstand
vereinigt werden.
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Nach dem Schließen des Schalters 9 oder 10 wird die Spannung u1 durch
Integration im entgegengesetzten Sinn als vorher innerhalb einer Zeit t3 auf Null
abgebaut, wie es der zweite Teil der ausgezogenen Kurve in Fig. 2 zeigt. Für diesen
Teil der Kurve u1 gilt die Gleichung
wenn man von der Annahme ausgeht, daß dia Widerstände 4, 11
und
12 den gleichen Wert R besitzen. Für den Zeitpunkt des Null-Durchgangs der Kurve
am Ende des Zeitabschnitts t3 gilt also
oder umgerechnet
Da m, t2 und Uref feste und bekannte Größen sind, ist t3 somit ein Maß für die zu
messende Analoggröße U . Die Messung x von t3 wird bei dem bekannten Doppelintegrationsverfahren
dadurch durchgeführt, daß beim Umschalten vom Zeitabschnitt tl auf den Zeitabschnitt
t3, also beim Öffnen des Schalters 5 und Schließen des Schalters 9 oder 10, gleichzeitig
ein Schalter 13 geschlossen wird, mittels dessen die Taktimpulsquelle 6 an einen
Zähler 14 angeschlossen wird, der vorher von der Steuerlogik 7 auf Null gestellt
wurde. In einem Komparator oder Signum-Element 15 wird der Null-Durchgang der lntegrationsspannung
u1 festgestellt und an die Steuerlogik 7 über die Leitung 16 gemeldet, wodurch der
Schalter 13 wieder geöffnet wird. Der erreichte Zählerstand z ist dann ein Maß für
die Meßspannung Ux nach der Gleichung:
und somit
Man sieht, daß bei diesem Verfahren, welches, soweit es bis hier beschrieben wurde,
bekannt ist, weder die Taktfrequenz 17t2 noch die Zeitkonstante R . C in das Meßergebnis
eingehen, wenn man nur dafür sorgt, daß die Taktfrequenz nährend der Zeitabschnitte
t1 und t3 gleich bleibt.
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Schwierigkeiten treten, wie erwähnt, bei der bekanten Schaltung auf,
wenn neben Analogspannungen von einigen Volt auch Spannungen gemessen werden sollen,
die kleiner als z.B.
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0,1 V sind. Hier setzt die Erfindung ein, die durch die oben erwähnten
Umschaltmittel auch für niedrige Meßspannungen eine genügend hohe Genauigkeit erreichen
lassen.
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In Anwendung der Erfindung ist in Fig. 1 zu den bis hier beschriebenen
Schaltelementen hinzu ein Umschalter 17 vorgesehen, durch den die Taktfrequenz des
Taktgenerators 6 um einen Faktor a herabgesetit wird. Dieser Schalter wird dann
betätigt, wenn in inen sogenannten "Fenster-Komparator" 18 durch Vergleich ait einer
Referenzspannung festgestellt wird, daß der Absolutbetrag der Meßspannung Ux unter
einem bestimmten Betrag, z.B. unter 100 mV liegt. Durch Herabsetzen der Taktfrequenz1
z.B. um einen Faktor a - 10, wird die Taktzeit t2 verzehnfacht und der erreichte
Wert der Integrations
spannung am Ende des Zeitintervalls tl ebenfalls
verzehnfacht (U1). Allgemein gilt also = a . U1 1 Diese Verhältnisse sind in Fig.
2 durch gestrichelte Linien eingezeichnet. Das am Zähler 14 abgelesene digitale
Meßergebnis wird durch die Umschaltung nicht beeinflußt, bis auf die höhere Genauigkeit
mit der dieses Ergebnis erhalten wird.
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsform der Erfindung eignet sich
vornehmlich für solche Fälle, bei denen es nicht in erster Linie auf eine sehr große
Geschwindigkeit der Messung ankommt, da ja die Meßzeit bei niedrigen Absolutwerten
der Meßspannung um den Faktor a verlängert wird.
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Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
die Meßzeit zwar auch um einen gewissen Betrag verlängert wird, aber in wesentlich
geringerem Maße als beim Beispiel der Fig. 1, indem die Genauigkeit durch Einwirkung
auf die Zeitkonstante des Integrierers statt auf die Integrationszeit erhöht wird.
Gleiche Bezugszeichen in Fig. 3 wie in Fig. 1 deuten auf die gleichen Teile hin,
die nicht nochmals ausführlich beschrieben zu werden brauchen.
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über die Steuerlogik 7 Der Ausgang des "Fenater-Komparatora" 18 wirkt
in Fig. 3/auf einen Schalter 19 ein, mit Hilfe dessen in die Leitung
zwischen
die Meßspannungsquelle U und den Schalter 5 statt x des Widerstandes 4 ein um den
Faktor a kleinerer Widerstand 20 eingeschaltet wird. Die gleiche Wirkung kann naturgemäß
auch dadurch erreicht werden, daß dem Widerstand 4 ein entsprechend bemessener Widerstand
parallel geschaltet wird.
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Hat der Widerstand 4 wieder den Wert R, so hat also der Widerstand
20 den Wert R/a. Die für den Anstieg der Integriererausgangsspannung wesentliche
Konstante 1/RC wird also um den Faktor a vergrößert. Der Anstieg von U1 erfolgt
entsprechend schneller und daher wird w-ieder ein entsprechend größerer Endwert
U1 = a . U1 erreicht. Der Schalter 17 wird in diesem Falle beim Übergang vom Zeitabschnitt
t1 auf den Zeitabschnitt t3 also gleichzeitig mit dem Öffnen des Schalters 5- und
dem Schließen des Schalters 9 oder 10 betätigt, so daß während des Zeitabschnittes
t3 Impulse mit der niedrigeren Impulsfrequenz 1/a ti auf den Zähler gelangen. Der
Ausgang des "Fenster-Komparators" 18 muß daher auch auf die Steuerlogik 7 einwirken,
damit diese ein entsprechendes Steuersignal an'den Schalter 17 abgeben kann.
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Außerdem sorgt die Steuerlogik 7 dafür, daß die am 'fFenster-Komparator"
anliegende Information nur kurz vor Beginn des Zeitintervalls tl abgefragt und ausgewertet
wird.
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Fig. 4 zeigt die zeitlichen Abläufe bei der Schaltung gemäß Fig. 3,
und zwar wieder in ausgezogener Linie den Ablauf ohne Anwendung der Erfindung und
gestrichelt den Ablauf mit der Erfindung.
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In Fig. 5 ist das Prinzipschaltbild eines 'Fenster-Komparators" angegeben,
wie er in der Fig. 1 und 3 mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist. Der "Fenster-Komparator"
besteht aus zwei Operationsverstärkern 30 und 31, deren Ausgänge zusammengeschaltet
mit der Ausgangsklemme 32 verbunden sind. Dem einen Eingang des Verstärkers 30 wird
über einen Widerstand 33 die Spannung +V1 zugeführt und dem einen Eingang des Verstärkers
31 über den Widerstand 34 die Eingangsspannung -V1. Die zweiten Eingänge der beiden
Operationsverstärker sind zusammengeschaltet, ihnen wird über den Widerstand 35
die Meßspannung U x zugeführt.
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In Fig. 6 ist die Ausgangsspannung V2 an der Klemme 32 in Abhängigkeit
von der Eingangsspannung U aufgezeichnet. Für x den Bereich -V1 < Ux < +V1
iiimmt die Spannung V2 einen negativen Wert von z.B. -0,5 V an, für die Bereiche
oberhalb von V1 und unterhalb -V1 nimmt V2 den Wert von z. B. +3V an.
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Die angegebenen Spannungen hängen natürlich von den Betriebsspannungen
der Operationsverstärker ab, die zur Verwendung kommen.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern kann in vielfacher Weise abgewandelt werden.