DE2143523B2 - Analog-digital-umsetzer - Google Patents

Description

Analogspannung zugeordneten Wert. Dann wird eine Prinzip der Auf-Ab-Integration arbeitender A/D-Umßezugsspannung von entgegengesetzter Polarität inte- setzer bekannt. Dieser Umsetzer arbeitet mit einem griert, bis die nun linear abfallende Integrator-Aus- Integrator mit Differenzeingängen, bei dem das gangsspannung ihren Anfangswert wieder erreicht. 60 umzusetzende analoge Eingangssignal ständig am Während der Integration der Bezugsspannung werden inverlierenden Eingang anliegt. Der zweite nichtinver-Taktimpulse zur Messung der Zeit und damit zur tierende Eingang ist durch ein aus Widerständen und digitalen Darstellung der Größe der unbekannten Dioden bestehendes Rückführnetzwerk mit dem Aus-Analogspannung auf einen Zähler gegeben. Von den gang eines dem Ausgang des Integrators nachgeschaltevielen bekannten Umsetzverfahren ist das Verfahren 65 ten Differenzverstärkers verbunden, so daß eine aus der der Auf-Ab-Integration gegen äußere Störeinflüsse auf Ausgangsspannung des Differenzverstärkers abgeleite-Grund seines besonderen Prinzips relativ unempfind- te Bezugsspannung dem Integrator steuerbar zugeführt lieh. Die erzielbare Meßgenauigkeit dieses Umsetzver- wird. Während der Aufintegrationszeit integriert der

Integrator die Differenzspannung aus der Bezugsi.pannung und der unbekannten Eingangsspannung. Bei einem vorgegebenen Integralwert ändert der nachgeschaltete Differenzverstärker sprungartig jie Polarität seiner Ausgangsspannung, so daß die i.ti Rückfiihrnetzwerke angeordnete Diode sperrt. Dadurch ist die Zufuhr der Bezugsspannung unterbrochen. Es beginnt die Abintegrationszeit. Während dieser Zeit integi iert der Integrator nur das analoge Eingangssignal. Somit ist die Steigerung des Verlaufs der Integratorspannung sowohl bei der Auf- als auch bei der Abintegration von der Eingangsspannung abhängig. Der Digitalwert der Eingangsspannung kann deshalb nur durch die Messung der beiden Integrationszeiten bestimmt werden, die nach einer angegebenen Rechenvorschrift miteinander zu verknüpfen sind. Diese aufwendige Rechnung wird mit einem Digitalrechner durchgeführt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht dtrin, eine im Vergleich zu den bekannten Anordnungen einfachere Schaltungsanordnung anzugeben.

Ausgehend von einem A/D-Umsetzer der eingangs genannten Art, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Eingang des Integrators mit einer das Bezugssignal liefernden Quelle dauernd verbunden ist, und daß während der Aufintegrationszeit ein Schalter das umzusetzende Analogsignal und ein dem Bezugssignal betragsmäßig mindestens gleich großes und entgegengesetzt gepoltes Kompensationssignal an den Eingang des Integrators anlegt.

Gemäß der Erfindung ist der Eingang des Integrators ständig mit dem Bezugssignal verbunden. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß am Eingang des A/D-Umsetzers nur noch ein einziger Ein/Aus-Schalter erforderlich ist, der das Analogsignal während der Meßzeit an den Integratoreingang legt. Auf den wesentlich komplizierter aufgebauten und auch teureren Umschalter, der abwechselnd das Analog- oder Bezugssignal an den Eingang schaltet, sowie die hierzu erforderliche Auswahlschaltung kann daher verzichtet werden. Zur Kompensation des Bczugssignals, das während der Meßzeit vom umzusetzenden Analogsignal subtrahiert wird, wird erfindungsgemäß ein dem Bezugssignal gleich großes und entgegengesetzt gepoltes Kompensationssignal verwendet. Das Kompensationssignal wir-i während der Meßzeit zusammen mit dem Analogsignal an den Eingang des Integrators gelegt, wo es das Bezugssignal kompensiert, so daß der Integrator am Ende der Meßzeit ein nur das umzusetzende Meßanalogsignal entsprechenden Zeitintegralwert liefert.

Das Bezugssignal, das auch nach Ablauf der Abintegrationszeit allein am Eingang des Integrators anliegt, zwingt den Integrator in den Pausen, die zwischen zwei Meßzyklen liegen, in die Begrenzung. Diese Tatsache wird in vorteilhafter Weise dazu benutzt, ein definiertes Ausgangspotential zu schaffen, von dem aus der Integrator in die Aufintegration zurückgeht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, der speziell zur Umsetzung von Analogsignalen beliebiger Polarität geeignet ist, wird das Kompensationssignal betragsmäßig um einen vorgeschriebenen Wert größer als das Bezugssignal gewählt. In dieser Ausführungsform dient das Kompensationssignal nicht nur zur Kompensation des Bezugssignals, sondern es wird darüber hinaus auch noch dazu benutzt, den Nullpunkt des Umsetzers zu verschieben, in die Mitte des Gesamtbereichs. Eine zusätzliche Umschalteinrichtung, die je nach dem Vorzeichen des Analogsignals ein positives oder negatives Bezugssignal für die Vergleichsmessung auswählt, ist nicht erforderlich.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen A/D-Umsetzers wird an Hand der Fi g. 2 erläutert. Der im Blockschaltbild dargestellte A/D-Umsetzer besteht aus einem Analogteil mit einem integrierenden Verstärker 5 und einem Komparator 9 sowie aus einem Digitalteil 10 mit Impulsgeber, Zähler, Speicher und Anzeigefeld. Auf die Darstellung der Baugruppen des Digitalteils, das für derartige A/D-Umsetzer bekannt ist, wurde verzichtet, da sie nicht zum Verständnis des Anmeldungsgegenstandes nötig ist.

Der Verstärker 5 ist ein konventioneller Gleichstromverstärker mit kapazitiver Gegenkopplung vom Ausgang 8 auf den Eingang 6 über einen Kondensator 7. Der Verstärker hat die negative Verstärkung - V. Das analoge Eingangssignal, z. B. eine Gleichspannung LJe beliebiger Polarität, oder ein Signal, das sieh relativ langsam ändert, wird an die Eingangsklemme 1 des Umsetzers gelegt und durch den Eingangswiderstand 2 in einen analogen Eingangsstrom Ie gewandelt. Der umzusetzende Eingangsstrom Ie gelangt zusammen mit dem von einer Stromquelle 3 gelieferten negativen Strom, dem Kompensationsstrom In. durch einen Schalter S an den Eingang 6 des Verstärkers. Der Schalter ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter, der vom Digitalteil 10 betätigt wird. Dem Ausgang 8 des Verstärkers 5 ist ein Komparator 9 nachgeschahet, der die Ausgangsspannung des Verstärkers mit einer Referenzspannung Ur vergleicht und einen Impuls erzeugt, wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers in einer vorgegebenen Richtung den Pegel der Referenzspannung überschreitet.

Vor Ablauf der Umsetzung ist der Schalter Sgeöffnet. In den Eingang des Verstärkers 5 fließt dauernd der von einer Stromquelle 4 gelieferte positive Bezugsstrom Ip, wodurch seine Ausgangsspannung auf einen durch Ip vorgegebenen negativen Wert festgehalten wird. In diesem Zustand verharrt der Verstärker so lange, bis seinem Eingang ein negativer Strom zugeführt wird.

Der Ablauf der Umsetzung findet folgendermaßen statt: Auf Grund eines Startbefehls des Impulsgebers im Digitalteil 10 wird eine Messung ausgelöst. Dieser Startbefehl schließt den Schalter S. Gleichzeitig werden Zählimpulse des Impulsgebers auf den Zähler gegeben. Der Zähler erfüllt jetzt zusammen mit dem Impulsgeber die Funktion eines Zeitgebers für die Schließzeit des Schalters S. Während dieser Zeit, der Aufintegrationszeit, fließt in den Verstärkereingang ein negativer Summenstrom, der sich zusammensetzt aus dem positiven Bezugsstrom l_P, beispielsweise + 100 μA, dem negativen Kompensationsstrom In, beispielsweise — 200 μΑ, und dem Eingangsstrom It, der dem gewählten Meßbereich entsprechend kleiner als ± 100 μΑ sein soll. Vom Strom In dienen - 100 μΑ zur Kompensation des Bezugsstromes Ip. Der verbleibende Betrag von -ΙΟΟμΑ wird zur Nullpunktverschiebung des Umsetzers verwendet. Der negative Eingang^strom bewirkt, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 5 in positiver Richtung sägezahnförmig ansteigt. Nach Ablauf der Aufintegrationszeit, während der der Zähler eine bestimmte vorgegebene Anzahl von Zählimpulsen abgezählt hat, wird der Schalter S geöffnet, während gleichzeitig der Zähler die Impulszählung wieder bei Null beginnen kann. In den Eingang des integrierenden Verstärkers fließt jetzt nur noch der positive Referenz-

strom und seine Ausgangsspannung geht in den negativen Rücklauf, die Abintegration, über. Sobald die Ausgangsspannung die Referenzspannung Ur von positiven Werten her kommend unterschreitet, gibt der Komparator 9 einen Impuls ab und der Digitaltetl unterbricht die Impulszählung. Die Anzahl der bis zu diesem Zeitpunkt in den Zähler eingelaufenen Impulse ist der Meßgröße 4 proportional. Sie kann jetzt im Anzeigefeld ziffermäßig angezeigt werden.

Da der Bezugsstrom weiterhin in den Verstärker fließt, nimmt seine Ausgangsspannung wieder den negativen Wert an, der zu Beginn der Messung vorhanden war. Von dieser Ruhestellung aus kann eine neue Umsetzung eingeleitet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

fahrens hängt entscheidend davon ab, wie exakt der Patentansprüche: Anfangs- und der Endwert der integrierten Spannung übereinstimmen.

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einem Integrator, Bei der praktischen Ausführung derartiger A/D-Um-

tuf den das umzusetzende Analogsignal zur Bildung 5 setzer werden im allgemeinen kapazitiv rückgekoppelte eines Zeitintegralwertes über eine bestimmte Zeit Gleichstromverstärker für die Integration eingesetzt, »ufgeschaltet wird, und bei dem anschließend der Die Arbeitsweise eines derartigen A/D-Umsetzers wird Zeitintegralwert durch ein auf den Integrator an Hand der F i g. 1 erläutert.

geschaltetes Bezugssignal wieder bis auf den Der Umsetzer besteht im wesentlichen aus einem

Anfangswert abintegriert wird, sowie mit einem io Integrationsverstärker, der beispielsweise ein Rechen-Impulszähler, der die von einem Impulsgeber verstärker mit kapazitiver Gegenkopplung sein kann, abgegebenen Impulse für die Dauer der Abinte- und der abwechselnd von dem umzusetzenden Analoggrationszeit zählt, dadurch gekennzeich- signal und von einem festen Bezugssignal beaufschlagt net, daß der Eingang (6) des Integrators (5) wird. Die Umschaltung besorgt ein elektronischer dauernd mit einer das Bezugssignal (I_P) liefernden 15 Schalter. Zu Beginn der Umsetzung verbindet der von Quelle (4) verbunden ist und daß während der einem Steuerwerk betätigte Umschalter den Verstär-Aufintegrationszeit ein Schalter fö) das umzusetzen- kereingang mit dem Analogsignal. Gleichzeitig wird de Analogsignal (Ie) und ein dem Bezugssignal über ein Gatter eine feste Impulszahl in den Zähler betragmäßig mindestens gleich großes und entge- eingezahlt Diese Impulszahl definiert eine Zeitspanne gengesetzt gepoltes Kompensationssignal (I_n) an 20 (Meßzeit), während der das Analogsignal auf den den Eingang (6) des Integrators anlegt. Integrationsverstärker geschaltet ist. Die Ausgangs-

2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, zur spannung des Integrationsverstärkers entspricht am Umsetzung von Analogsignalen beliebiger Polarität. Ende der Meßzeit dem Zeitintegralwert des Analogdadurch gekennzeichnet, daß das Kompensations- signals. Anschließend erfolgt die Umschaltung des signal (In) betragsmäßig um einen vorgegebenen 25 Verstärkereingangs auf ein Bezugssignal mit entgegen-Wert größer als das Bezugssignal (Ip) ist, derart, daß gesetzter Polarität. Der Integrationsverstärker wird dieser Wert den Nullpunkt des Umsetzers ver- nunmehr mit diesem Signal so lange beaufschlagt, bis schiebt. sein Anfangswert zu Beginn der Meßzeit erreicht ist.

Der Zeitpunkt für den Eintritt dieses Zustandes wird

30 z. B. von einem Komparatorverstärker durch Vergleich

mit einer gesonderten Referenzspannung festgestellt. Während dieser Abintegrationszeit (Vergleichszeit)

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital- wird eine entsprechende Zahl von Impulsen in den Umsetzer mit einem Integrator, auf den das umzuset- Zähler eingegeben. Ist am Ende der Vergleichszeit die zende Analogsignal zur Bildung eines Zeitintegral- 35 Ausgangsspannung wieder erreicht, so veranlaßt die wertes über eine bestimmte Zeit aufgeschaltet wird und schnei¹ ansteigende Ausgangsspannung des Kompabei dem anschließend der Zeitintegralweri durch ein auf ratorverstärkers die Abschaltung des Integrationsverden Integrator geschaltetes Bezugssignal wieder bis auf stärkers von dem Bezugssignal. Der sich nach der den Anfangswert abintegriert wird, sowie mit einem Vergleichszeit ergebende Zählerstand ist ein Jigitali.:, Impulszähler, der die von einem Impulsgeber abgegebe- 40 Maß für das umzusetzende Analogsignal. Damit der nen Impulse für die Dauer der Abintegrationszeit zählt. Umsetzer in aufeinanderfolgenden Meßzeiten arbeiten Ein derartiger Umsetzer kann zum Messen von kann, wird der Speicherkondensator des Integrators vor elektrischen Spannungen oder Strömen verwendet jedem Meßzyklus entladen. Das geschilderte Verfahren werden. Dabei entspricht der Zählerstand am Ende des funktioniert wie gesagt nur dann fehlerfrei, wenn der Meßintervalls der gemessenen analogen Grobe in 45 Anfangswert und der Endwert des Integratorverdigitaler Form. stärkers exakt gleich ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital- Die bisher bekannten Umsetzer mit zweimaliger

Umsetzer, im folgenden als A/D-Umsetzer bezeichnet, Integration benötigen im Meßteil einen elektronischen der nach dem an sich bekannten Verfahren der Umschalter, der an den Integrator abwechselnd zwei Auf-Ab-Integration arbeitet. Ein nach diesem Verfahren 5° verschiedene Eingangssignale schaltet. Bei Umsetzern, arbeitender Umsetzer ist beispielsweise in der deut- die Analogsignale mit beiden Polaritäten verarbeiten sehen Auslegeschrift 12 58 453 beschrieben. Bei diesem sollen, ist zusätzlich noch eine aufwendige Umschaltmit zweimaliger Integration arbeitenden Umsetzer wird einrichtung erforderlich, die je nach dem Vorzeichen z. B. eine unbekannte Analogspannung eine bestimmte des Analogsignals ein positives oder negatives Bezugs-Zeit lang integriert. Die Integratorausgangsspannung 55 signal für die Vergleichsmessung auswählt,
steigt linear an und erreicht einen der unbekannten Aus der DT-OS 20 37 886 ist bereits ein nach dem