DE2143524A1

DE2143524A1 - Analog Digital Umsetzer

Info

Publication number: DE2143524A1
Application number: DE19712143524
Authority: DE
Inventors: Artur Dr Ing Viaene Omer 1000 Berlin Seibt
Original assignee: Hartmann & Braun AG, 6000 Frank fürt
Priority date: 1971-08-31
Filing date: 1971-08-31
Publication date: 1972-10-26
Also published as: NL7211790A; FR2150968A1

Description

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Hartmann A Braun 1 Berlin 12, den 3o. August 1971

Digital G.m.b.H. Bismarckstraße Io7 . Tu/Ro¹

Analog-Digital-Umsetzer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Umsetzer, der das umzusetzende Analogsignal zur Bildung eines Zeitintegralwertes über eine bestimmte Zeit aufintegriert und der den erreichten Zeitintegralwert durch Integration eines Bezugssignals wieder bis auf den Anfangswert abintegriert, mit einem Verstärker, in dessen Gegenkopplungszweig ein speicher angeordnet ist, sowie mit einem Impulszähler, der die von einem Impulsgeber abgegebenen Impulse für die Dauer der Abintegrationszeit zählt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Umsetzer, im folgenden als A/D-Umsetzer bezeichnet, der nach dem an sich bekannten Verfahren der Auf-Ab-Integration arbeitet. Ein nach diesem Verfahren arbeitender Umsetzer ist beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 1.258.453 beschrieben. Bei diesem mit zweimaliger Integration arbeitenden Umsetzer wird eine bekannte Analogspannung eine bestimmte Zeit lang integriert. Die Ausgangsspannung des Integrators steigt linear an und erreicht einen der unbekannten Analogspannung zugeordneten Wert. Dana wird eine

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Bezugsspannung von entgegengesetzter Polarität integriert, bis die nun linear abfallende Integrator-Ausgangsspannung ihren An-, fangswert wieder erreicht. Während der Integration der Bezugsspannung werden Takt impulse zur Messung der Zeit und damit zur digitalen Darstellung der Größe der unbekannten Analogspannung auf einen Zähler gegeben. Von den vielen bekannten Umsetzverfahren ist das Verfahren der Auf-Ab- Integration gegen äußere StöreinflUsse aufgrund seines besonderen -Prinzip relativ unempfindlich. Die erzielbare Meßgenauigkeit dieses Umsetzverfahrens hängt entscheidend davon ab, wie exakt der Anfangsund der Endwert der integrierten Spannung konstant gehalten wird.

Bei der praktischen Ausführung derartiger A/D-Umsetzer werden im allgemeinen kapazitiv rückgekoppelte Gleichstromverstärker für die Integration eingesetzt. Bei einem derartigen Umsetzer wird der Eingang des Integrationsverstärkers abwechselnd von dem umzusetzenden Analogsignal und von einem festen Bezugssignal beauschlagt. Die Umschaltung besorgt ein elektronischer Schalter. Zu Beginn der Umsetzung verbindet der von einem Steuerwerk betätigte Umschalter den Verstärkereingang mit einem ^' Analogsignal. Gleichzeitig wird über ein Tor eine feste Impulszahl in einen Zähler eingezählt. Diese Impulszahl definiert eine feste, stets gleichbleibende Zeitspanne, die Meßzeit, während der das Analogsignal auf den Integrationsverstärker ge-

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schaltet ist. Die Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers entspricht am Ende der Meßzelt dem Zeitintegralwert des Analogsignales. Nach Abaluf der Meßzeit erfolgt die Umschaltung des Verstärkereinganges auf ein Bezugssignal mit entgegengesetzter Polarität. Der Integrationsverstärker wird nunmehr_; mit diesem Signal so lange beaufschlagt, bis sein Anfangswert zu

Beginn der Meßzeit erreicht ist. Der Zeitpunkt für den Eintritt dieses Zustandes wird von einem Komparatorverstärker ^ durch Vergleich mit einer gesonderten Referenzspannung festgestellt. Während dieser Abintegrationszeit, der Vergleichszeit, wird eine dem Analogwert entsprechende Zahl von Impulsen in den Zähler eingegeben. Ist am Ende der Vergleichszeit die Ausgangsspannung wieder erreicht, so veranlaßt die schnell ansteigende Ausgangsspannung des Komparatorverstärkers die Abschaltung des Integrationsverstärkers von dem Bezugssignal. Der sich während der Vergleichszeit ergebende Zählerstand ist ein digitales Maß für das umzusetzende Analogsignal. Damit der Umsetzer in aufeinanderfolgenden Meßzyklen arbeiten kann, wird ™ der Speicherkondensator des Integrators vor jedem Meßzyklus durch einen Schalter kurzgeschlossen und dabei entladen.

Die bisher bekannten Umsetzer mit zweimaliger Integration benötigen im Meßteil einen hohen Aufwand an verschiedenartigen Baugruppen. So wird außer einem Verstärker für den Integrator noch ein hoch auflösender Komparator-verstärker benötigt. Da-

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mit der Umsetzer in aufeinanderfolgenden Meßzyklen arbeiten kann, sind ferner Vorkehrungen zu treffen, die die Ausgangsgröße des Integrationsverstärkers vor der Einleitung jedes nachfolgenden Arbeitszyklus auf einen vorgegebenen Anfangswert zurückstellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile zu beseitigen.

Ausgehend von einem A/D-Umsetzer mit einem Verstärker der eingangs genannten Art, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Gegenkopplungfjzweig des Verstärkers ein elektronisches Schaltglied liegt, welches den Gegenkopplungszweig bei Erreichen einer vorgegebenen Verstärkerausgangsspannung auftrennt, und daß dem Verstärkerausgang eine Impulsformerschaltung nariigeschaltet ist, die die Spannungssprünge des Integratorausganges vom Spannungsanstieg und -abstieg des Sägezahns trennt.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen A/D-Umsetzei^s wird anhand der Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des A/D-Umsetzers? Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm, das die Vorgänge an verschiedenen Punkten der Schaltung wiedergibt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht aus einem Analogteil mit einem gegengekoppelten Verstärker 5 und einer Impulsformerschaltung 6 sowie aus dem Digital teil mit einem Impul^olx-r 8,

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einem Vorwärts-Rüokwärtszähler 11, einem Speicher und Decodierer 12 mit optischer Anzeige IJ> und einer Ablaufsteuerung Der Verstärker ist ein konventioneller Gleichstromverstärker mit hoher negativer Verstärkung -V und kapazitiver Gegenkopplung vom Ausgang 15 auf den Eingang Ik über einen Kondensator Zwischen dem Ausgang 15 des Verstärkers und dem Kondensator ist die als elektronisches Schaltglied arbeitende Basis-Emitter-Strecke eines als Emitterfolger betriebenen npn-Transistors angeschlossen, dessen Basis mit dem Verstärkerausgang und dessen Emitter mit dem Kondensator verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 17 ist an eine positive Versorgungsspannung + u angeschlossen. An dem Verbindungspunkt 2o des Kondensators mit dem Emitter des Transistors 17 liegt eine vorgegebene Referenzspannung U_R an, die aus der negativen Gleichspannung -u mit Hilfe eines ohmschen Spannungsteilers 18, 19 abgeleitet ist. Der Ausgang des Verstärkers ist über ein spannungsstabilisierendes Bauelement, z.B. eine Z-Diode 22 in Reihe mit den Dioden 21, 2h und 26 mit dem Eingang des Verstärkers verbunden. Die Widerstände 2J> und 27 dienen zur Ableitung der Diodenleckströme. Die Ausgangsspannung U. des Verstärkers wird der Impulsformerschaltung 6, die ein Differenzierglied sein kann, zugeführt.

Das analoge Eingangesignal, z.B. eine Gleichspannung Ug beliebiger Polarität wird den Umsetzer -Eingangsklemmen 1 und 2 zu-

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geführt. Die Eingangsklemme 1 ist über einen Eingangswiderstand 4 sowie ein Schalter S mit dem Verstär-kereingang 14, die andere Klemme 2 ist direkt mit der Masse 3 verbunden. Der Eingangswiderstand wandelt U₁, in einen analogen Eingangsstrom I„ um, der zusammen mit einem von einer Stromquelle 9 gelieferten negativen Kompensationsstrom I„ durch den Schalter S an den Eingang des Verstärkers gelangt. Der Schalter S ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter, der von der Ablaufsteuerung des Digitalteiles betätigt wird. Der Eingang 14 des Verstärkers ist direkt mit einer Stromquelle Io verbunden, die einen positiven Bezugsstrom I_p liefert.

Der Impulsgeber 8 im Digitalteil liefert dauernd Taktimpulse an den Zähler 11. Die Zählrichtung des Zählers wird von der Ablaufsteuerung 7 bestimmt, die ihrerseits den Zählerstand überwacht. Die Ablaufsteuerung veranlaßt ferner, nach Ablauf der Umsetzung, die Übernahme des momentanen Zählerstandes in den Speicher 12. Der Speicherinhalt wird decod.iert und im Anzeigefeld 13 optisch angezeigt.

Der vorgeschlagene Umsetzer weicht von den bekannten Umsetzern wesentlich ab, weil er nicht zwei Verstärker, nämlich den Integrationsverstärker und den Komparatorverstarker, benötigt, sondern nur noch mit einem Verstärker auskommt, der zusammen mit, dem beschriebenen Gegenkopplungnnetzwerk sowohl die Funktion

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des Integrators als auch die des Komparators übernimmt. Ein Schalter zum Kurzschließen des Kondensators wird ebenfalls eingespart.

Zur Erläuterung der Funktionsweise des Umsetzers wird das Zeitdiagramm nach Fig. 2 herangezogen. Dem Verstärker 5 wird im Ruhezustand, d.h. bei geöffnetem Schalter S dauernd der positive Bezugsstrom I_p von z.B. + ioo uA zugeführt, vgl. Linienzug 36 und 38 in Fig. 2. Dadurch wird seine Aungangsspannung IL, deren zeitlicher Verlauf die Linie 39 darstellt, über die Modenkopplung 21, 22, 24 und 26 auf einen negativen Wert - -J, z.B. - 11 Volt, festgehalten. In diesem Zustand verliarrt der Verstärker so lange, bis seinem Eingang ein negativer Strom zugeführt wird, der den Bezugsstrom übersteigt. In diesem Betriebszustand ist der Kondensator vom Ausgang 13 des Verstärkers getrennt, weil die Basi.s-Emitter-Dlode des Transistors 17, dessen Emitter durch den Teiler l8, I9, auf einer Referenzspannung U„, z.B. - 7 Volt, gehalten wird, gesperrt 1st.

Es sei angenommen, daß der Vorwärts-Rückwärtszähler 11 aus vier Zähldekaden besteht und die Vollzählung 4ooo beträgt. Wenn der Zähler auf 0000 steht, also zum Zeitpunkt t_Q, wird durch die Ablaufsteuerung 7 der Schalter S geschlossen. In den Verstärkerei ngans fließt jeUzt die Summe aus dom positiven Bs::ugsstrorn Ip,

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dem negativen Kompensationsstrom I„ und dem Eingangsstrom I„, die stets negativ ist. Der Strom I_n hat einen konstanten Wert von beispielsweise - 2oo uA, wovon - loo uA zur Kompensation des auch während der Meßzeit t bis t. in den Verstärkereingang fließenden Bezugstromes dienen. Der verbleibende Rest von - loo uA, im Liniendiagramm 58 mit I bezeichnet, dient zur Nullpunktverschiebung des Umsetzers. Hierdurch wird die Umschaltung des Verstärkereinganges zwischen Eingangssignal, positivem und negativem Bezugssignal vermieden. Der negative Eingangsstrom bewirkt, daß die Ausgangsspannung U. des Verstärkers mit größtmöglicher Geschwindigkeit in positive Richtung springt, bis sie die Schwellspannung des elektronischen Schaltgliedes im Gegenkopplungszweig erreicht, d.h. bis die Basis-Emitter-Diode des Transistors 17 leitet. Dies ist der Fall, wenn die Ausgangsspannung den Wert der Referenzspannung

U_n plus Diodenflußspannung erreicht; bei U_D = - 7 Volt er-π η

gibt sich etwa ein Wert von - 6,4 Volt. Dieser Wert stellt den Schwellwert dar, der im Linienzug 39 der Fig. 2 mit U₀ bezeichnet ist. °obald U_g erreicht ist, leitet der Transistor und der Kondensator 16 ist wirksam mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden. In diesem Augenblick wird der Verstärker ' zum Integrationsverstärker umgeschaltet, und er begjnnt mit der Aufintegration des Eingangsstromes. Wie der Linienzug 39 in Fig. 2 zeigt, geht der Verstärker nach Schließung des Schalters S unmittelbar vom Spannungssprung von ~ U nach U„

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in die Aufintegration über. Da diese Vorgänge sehr schnell im Vergleich zur Taktimpulszeit ablaufen, beginnt die Auf-'integration des Eingangsstromes beim Zählerstand oooo.

Der Zähler zählt während der Aufintegration in Vorwärtsrichtung eine bestimmte vorgegebene Anzahl von Taktimpulsen ab, z.B. 3ooo. In den Linienzügen 41 und 42 ist die Zählrichtung und der Zählerstand des Zählers 11 dargestellt. Die Zeit t bis tj, die der Zähler zum Auszählen der J5ooo Taktimpulse benötigt, stellt die Meßzeit dar.

Nach Ablauf der Meßzeit, also zum Zeitpunkt t,, wird der Schalter S geöffnet und gleichzeitig der Zähler auf Rückwärtszählen geschaltet. Nunmehr fließt nur noch der positive Bezugsstrom I„ in den Eingang des integrierenden Verstärkers; seine Ausgangsspannung geht jetzt in den negativen Rücklauf, die Abintegration über. Der Zähler zählt rückwärts von ^Jooo bis oooo und überstreicht dabei die zu positiven Eingangsströmen gehörenden Digitalwerte. Der gestrichelte Linienzug K$ in Fig. 2 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung U. für Eingangsströme I_£ > o. Bei Zählerstellung oooo wird der Zähler wieder auf Vorwärtszählung geschaltet. Er läuft nun von oooo ab wieder vorwärts und überstreicht dabei den Bereich der negativen Eingangsströme, vgl. Linienzug 39 für Ig <£ o.

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Der positive Bezugsstrom I„, der während der Abintegrationszeit in den Verstärker hineinfließt, fließt weiter durch den Kondensator 16 und über den Spannungsteiler 18, I9 zur nega- . tiven Gleichspannungsquellej er erzeugt hierbei an dem Spannungsteiler einen geringen zusätzlichen Spannungsabfall, der dazu führt, daß der Schwellwert U₃ jetzt etwas positiver 1st als zu Beginn der Aufintegrationszeit. Die Unterschiede sind aber so gering, daß ihr Einfluß auf die Meßgenauigkeit innerhalb der üblichen Fehlergrenzen liegt. Deshalb sind in den Linienzügen 39 und 4^ in Fig. 2 die unterschiedlichen Spannungswerte auch nicht dargestellt.

Sobald die Ausgangsspannung des Verstärkers den Schwellwert U_Q,

also den Wert -6,4 Volt, in negativer Richtung unterschreitet, sperrt Transistor I7 und trennt den Gegenkopplungszweig auf. Der Verstärker arbeitet nun wieder ohne Gegenkopplung. Da der Bezugsstrom I„ weiter in den Eingang fließt, strebt die Ausgangsspannung des Verstärkers mit größtmöglicher Geschwindigkeit wieder dem negativen Begrenzungswert zu. Dieser negativer Spannungssprung von Ug nach -U wird im Differenzierglied 6, das dem Verstärkerausgang I5 nachgeschaltet ist, zu einem Spannungsimpuls, vgl. Linienzug 4o, umgewandelt und der Ablaufsteuerung zugeleitet. In Fig. 2 ist nach Ablauf der Vergleichszeit zum Zeitpunkt t₂ für I_E *C ο bzw. zum Zeitpunkt t₂' für I„ \> ο der dem unbekannten anriehen Eingangs stγγ·;·ι zuf^hcTrirc· Digitalwert erreicht.

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Die Ablaufsteuerung veranlaßt beim Eintreffen des negativen Spannungs irnpul s es die Übernahme des Zählerstandes in den Speicher 12, der den ermittelten Digitalwert decodiert und zur Anzeige bringt. Der Spannungsimpuls wird im Digitalteil mit dem Taktimpuls synchronisiert, so daß durch den an sich relativ zum Takt beliebig eintreffenden Spannungsimpuls keine Störung des Funktionsablaufes entsteht. Sobald die Vollzählung zum Zeitpunkt t_ erreicht ist, wird der Zähler auf oooo zurückgestellt und es beginnt ein neuer Arbeitszyklus in der beschriebenen Weise.

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Claims

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Patentansprüche t

Analog-Digital-Umsetzer, der das umzusetzende Analogsignal zur Bildung eines Zeitintegralwertes über eine bestimmte Zeit aufintegriert, und der den erreichten Zeitintegralwert durch Integration eines Bezugssignales wieder bis auf den

Anfangswert abintegriert, mit einem Verstärker, in dessen Gegenkopplungszweig ein Speicher angeordnet ist, sowie mit einem Impulszähler, der die von einem Impulsgeber abgegebenen Impulse für die Dauer der Abintegrationszeit, zählt, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungszweig des Verstärkers ein elektronisches Schaltglied liegt, welches den Gegenkopplungszweig bei Erreichen einer vorgegebenen Verstärkerausgangsspannung auftrennt, und daß dem Verstärkerausgang eine Impulsformerschaltung nachgeschaltet ist, die die Spannungssprünge des Integratorausganges vom Spannungsanstieg und -abstieg des Sägezahns trennt.
2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (15) des Verstärkers (5) über eine als Schalter arbeitende Halbleiterstrecke mit dem Speicher (16) verbunden ist und daß an dem Verbindungspunkt (2o) des Speichers mit der Halbleitörstrecke eine vorgegebene Referenzspannung (u_R) anliegt»

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Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstrecke die Basis-Emitter-Diode eines als Emitterfolger betriebenen Transistors (17) ist, dessen Basis mit dem Verstärkerausgang (15) verbunden ist.

Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerausgang (15) über ein spannungsstabilisierendes Bauelement (23) mit seinem Eingang (3) verbunden 1st, welches die Ausgangsspannung (U.) des Verstärkers auf einen so hohen Wert begrenzt, daß die Basis-Emitter-Diode des Transistors (17) in Sperrichtung vorgespannt ist und der Verstärker nicht übersteuert wird.

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