DE2143523C3 - Analog-Digital-Umsetzer - Google Patents

Description

Integrator die Differenzspannung aus der Bezugs spannung und der unbekannten Eingangsspannung. Bei einem vorgegebenen Integralwert ändert der nachge schaltete Differenzverstärker sprungartig die Pulantat seiner Ausgangsspannung, so daß die im Rückführnetz s werke angeordnete Diode sperrt. Dadurch ist die Zufuhr der Bezugsspannung unterbrochen. Es beginnt die Abintegrationszeit. Während dieser Zeit integrier! der Integrator nur das analoge Eingangssign·<!. .Somit ist die Steigerung de·, Verlaufs der Imegratorspannung ig sowohl bei der Auf- als auch bei der Abintegrjtiori ion der Eingangsspannung abhängig. De, Dignjiweri der Eingangsspannung kann deshail nur durch die Messung der beiden Integrationszenen b-.-s. it-.t werden die nach einer angegebenen Ki-.he-iv.or -■-rifi miteinander is zu verknüpfen sind. Diese auf«. ·.' ■„· Rechnung wird mit einem Digitalrechner uur _c tunrt.

Die Aufgabe der rrfim ...<g besieht dann, ei'.e im Vergleich zu den be .unten Anordnungen emlaehere Schaltungsanordnung;... jgeben.

Ausgehend von einem A/D-Umsetzer tier eingangs genannten Art. wird diese Aufgabe dadurch gelöst dlli der Eingang des Integrators mit eine,· uas fkvugssignal liefernden Quelle dauernd verbunden ist. und daß während der Aufintegritionszeit ein Schalter das umzusetzende Analogsigr al und em dem Bezugssignal belragsmäßig mindestens gleich großes und entgegengesetzt gepoltes Koinpensationssignal an den Eingang des Integrators anlegt

Gemäß der Erfindung ist der Eingang des Integrators ^o ständig mit dem Bezugssignal verbunden Der Vorteil dieser Maßnahme besteht dann, daß am Eingang des Λ/D-Umsetzers nur noch ein einziger Ein/ Aus-Schalter erforderlich ist. der das Analogsignal wahrend der Meßzeit an den Integratoreingang legt. Auf den wesentlich komplizierter aufgebauten ind auch teure ren Umschalter, der abwechselnd das Analog- oder Bezfgssignal an den Eingang schaltet, sowie die hier/u erforderliche Auswahlschaltung kann daher verzichtet werben. Zur Kompensation des Bezugssignals, oas während der Meßzeit vom umzusetzenden Analogsignal subtrahiert wird, wird erfindungsgemäß ein dem Bezugssigrial gleich großes und entgegengehe'./? gepoltes Kompensationssigna! verwendet. Das Kompensatioiissignal wird während der Meßzeit zusammen mn dem Analogsignal an den Eingang des integrators gelegt, wo es das Bezugssignai kompensiert, so daß dt Integrator am Ende der Meßzeit ein nur das umzusetzende ivießanalogsigna! entsprechenden Zeitintegralwert liefert.

Das Bezugssignal, das auch nach Ablauf de^r 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 5ς benutzt, ein definiertes Ausgangspotentiai zu schaffen. von dem aus der Integrator in die Aufintegration zurückgeht.

Bei einer bevorzugten A us füh rungs form des Frfin· dungsgegenstandes, der speziell zur Umsetzung von Analogsignalen beliebiger Polarität geeignet st. wird das Kompensationssignal betrafsmäßig im einen vorgeschriebenen Wert größer als das ßerugssignal gewählt In di'-ser 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. beispielsweise in die Mitte des Gesamtbereichs. Eine zusätzliche Umsehalteinnchiung. die je nach Jem Vorzeichen des Analogsignals ein positives odcf negatives Bezugssignai fur die Vergleichsmessung auswählt, ist nicht erforderlich

Ein Ausführungsbeispiel des eriiitdungsgeniaLien AD-Umsetzers wird an Hand der f ig 7 erläutert Dc im Blockschaltbild dargestellte AD-Umsetzer besteht aus einem Analogteil nut einem integrierenden Verstar ker 5 und einem Komparator 9 sowie aus einem Digitaliei! 10 mit Impulsgeber. Zahler. Speicher uiul Anzeigeleid. Auf die Darstellung der Baugruppen des Digitaheils. das fur derartige ·\ I) I mseizcr bekannt ist Würde ver/ichtei, du Sie mehl zum Sersmniini·. des Anmeidurigsgegenstarnics nötig \s\

Der Verstärker 5 ist ein konventioneller Gleichstromverstärker mit kapazitiver Gegenkopplung vom Aus gang 8 auf den Eingang 6 über emei. Kondensat >r 7 Der Verstarker hat die negative V erstarku:^' - V'. Das analoge Eingangssignjl. ζ B. eine G.L.ehspannung ( / beliebiger Polantat, ode ein Signal, das sitii relativ langsam ändert, wird an J- Eingangsktemme I des Umsetzers gelegt und durch tier- f ingangsv» iderstand 2 in einen analogen Emgangssm-m // gewandelt. Der umzusetzende Eingangssirom // gelang! zusammen m.i dem von einer Stromquelle 3 gelieferten negativen itrom. dem Kompensationssirum /\. durch einen Sch.liter S an den Eingang 6 des Verstärkt > Der Schalter ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter, der vom Digiialteil 10 betätigt wird. Dem Ausgang 8 des Verstärkers 5 ist ein K. .mparator 9 nachgeschaltet, der die -ViSgangsspannung des Verstärkers mn einer Referenzspannung I κ vergleicht und einen ImpuK erzeugt wenn die Ausg.mgsspannung des Verstärkers in einer vorgegebenen K.thtung den Pegel der Referenz spannung überschreitet.

Vor Ablauf der Umsetzung ist der Schalter ^geöffnet In den Eingang des Verstärker· 5 Hießt dauernd der von einer Stromquelle 4 gelieferte positive Bezugsstrom Ip. wodurch seine Ausgangsspannung auf einen durch Ip vorgegebenen negativen Wert festgehalten wird. In du ,cm Zustand verharrt der Verstärker so lange, bis senern Eingang ein negativer Strom zugeführt wird.

Der Ablauf Jer Umsetzung finde: folgendermaßen stall Auf Cjrund eines SiartbeFehls des Impulsgebers irrt Digitaheil IO wird eine Messung ausgelöst. Dieser Staribelehl schließt den Schalter S Gleichzeitig werden Zählimpulse des Impulsgeber auf den Zähler gegeben. Der Zähler erfüllt jetzt zusammen mit dem Impulsgeber die Γ-unk'N.n tines Zeitgebers fu; die Schließzeit des Schalters .'». Wahrend dieser Zeil der Aufintegrationszeit. f.ießt in den Verstarkereingang cn negativer Summenstrom, der sich zusammensetzt aus dem positiven Bezugsstrom Ip. beispielsweise + 100 μΑ. dem negativen Kompensji.uii^n.m ,\. he:i pfeife?'? - 200 μΑ. und dem Eingangsstrom //. der dem gewählten Meßbereich entsprechend kleiner als ± JOO (.A sein soll. Vom Strom /\ dienen — 100 μ A zur Kompensator; des Bezugssiromes Ip. Der verbleibende Betrag von -ΙΟΟμΑ wird zur NullpunktveisL^u iunp des Urnsetzers verwendet. Der nega'ive Eingarv ·< >π; bewirkt.daß die Ausgangsspannungdes Versunken 5 .-. positive: Richtung sagezahnförnug ansteigt Nach Ablauf der Aufintegraiiunszei*. während der de- /al.!er eine bestimmte vorgegebene Anzahl von Zahiinipulsen abgezählt hat, wird der Schalter S »eöffnet * end gleichzeitig der Zähler die Impulszählung w.c.c rn" Null beginnen kann. In den Eingang des integrierender' Verstärkers fließt jetzt nur noch der positive Meieren/

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 Digitalteil unterbricht die Impulszählung. Die Anzahl der bis zu diesem Zeitpunkt in den Zähler eingelaufenen Impulse

ist der Meßgröße Ie 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)

■3 523 ) 21 4: ι fahrens hängt entscheidend davon ab, wie exakt der Patentansprüche: Anfangs- und der Endwert der integrierten Spannung übereinstimmen.

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

auf den das umzusetzende Analogsigna! zur Bildung 5 setzer werden im allgemeinen kapazitiv ruckgekoppelte eines Zeitintegralwertes über eine bestimmte Zeit Gleichstromverstärker fur die Integration eingesetzt, aufgeschaltet wird, und bei dem anschließend der Die Arbeitsweise eines derartigen A/D-Umsetzers wird Zeitintegralwert durch ein auf den Integrator an Hand der Fig. 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 ge kennzeich- signal und von einem festen Bezugssignal beaufschlagt net, daß der Eingang (6) des Integrates (5) wird. Die Umschaltung besorgt ein elektronischer dauernd mit einer das Brzugssignal (fr) liefernden 15 Schalter. Zu Beginn der Umsetzung verbindet der von Quelle (4) verbunden ist und daß während der einem Steuerwerk betätigte Umschalter den Verslar-Aufintegrationszeit ein Schalter (S)das umzusetzen- kere-gang mit dem Analogsignal. Gleichzeitig wird de Analogsignal (fr) und ein dem Bezugssignal über ein Gatter eine feste Impulszahl in den Zähler betragmaßig mindestens gleich großes und entge- eingezahlt. Diese impulszahl definiert eine Zeitspanne gengesetzt gepoltes Kompensa'ionssignal (I_n) an 20 (Meßzeit), während der das Analogsignal auf den den Eirgar_t (6) des Integrators anlegt. Integrationsverstärker geschaltet ist. Die Ausgangs

2. Analog-Digital-Umsei/er nach Anspruch 1, zur spannung des Integrationsverstärkers entspricht am Umsetzung-on Analogsignalen beliebiger Polarität. Ende der Meßzeit dem Zeitintegralwert des Analogdadurch ge(.ennzeichnet. daß das !Compensations- signals. Anschließend erfolgt die Umschaltung des signal (l_s) betragsmäßig um einen vorgegebenen 25 Verstärkereingangs auf ein Be/ugssignal m:t entgegen Wert größer als das Bezugssignal (fr) ist, derart, daß gesetzter Polarität. Der Integ/ationsverstärker wird dieser Wert den Nullpunkt de<, Umsetzers ver- nunmehr mit diesem Signal so lange beaufschlag!, bis schiebt. se^;n Anfangswert zu Beginn der Meßzeit erreicht isi

Der Zeitpunkt für den Eintritt dieses Zustandes wird

jo z. B. von einem Komparatorverstärker durch Vergleich

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

Die Erfindung bezieht sich au. einen Analog-Digital- wird eine entsprechende Zahl von Impulsen in den Umsetzer mit einem Integrato.. auf den das umzuset- Zähler eingegeben. Ist am Ende der Vergleichszeit die /ende Analogsignal zur Bildung eines Zeitintegral- 35 Ausgangsspannung wieder erreicht, so veranlaßt die wertes über eine bestimmte Zeit aufgeschaltet wird und schnell ansteigende Ausgangsspannung des Kompabei dem anschließend der Zeitintegralwert 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 Ve.Jeichszeit ergebende Zählt .-stand ist ein digitales Impulszähler, der die von einem Impulsgeber abgegebe- 40 Maß für das umzusetzende Analogiignal. 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 Größe in 45 Anfangswert und der Endwert des Integratorverdigitaler Form. stärkers exakt gleicn ist.

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

Umsetzer, im folgenden als A/D-Umsetzer bezeichnet. Integration benöcigen 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 50 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 einrich:ung erforderlich, die je nach dem Vorzeichen z. B. e:"c unbekannte Analugspauriurig cnie bcaiimmic des AnalogSigüais ein positives ouor negauvea Bc/-.ugb-Zeit iang integriert. Die Integratorausgangsspannung 55 signal für die Vert?!eichsmessung auswählt,
steigt linear an und erreicht einen der unbekannten Aus der DT-C , 20 37 886 ist bereits ein nach dem

Analogspannung zugeordneten Wert. Dann wird eine Prinzip der Auf-Ab-Integration arbeitender A/D-Um-Bezugsspannung 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 gang^spannung ihren Anfangswert wieder erreicht. 60 umzusetzende analoge Eingangssignal ständig am Während der Integration dei Bezugsspannung werden invertierenden Eingang anliegt. Der zweite nichtinver-Taktimpulse zur M -ssung 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 eiiicr. Zähler gegeben. Von den gang eines dem Ausgang des Integrators nachgeschaltevielen bekannten Umsetzverfahren ist das Verfahren 65 ten Differenzverstärker 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 Umset/ver- wird. Während der Aufintegrationszeit integriert der