DE2164227A1 - Analog-digital-wandler - Google Patents

Description

Analog;-Digit al -Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung, mit dem analoge elektrische Größen in digitale Größen umgesetzt werden können.

Meßgeräte, die elektrische Größen messen, werden in wachsendem Umfang so gebaut, daß die zu messenden Größen digital angezeigt werden. Dies ermöglicht in vielen Fällen eine höhere Genauigkeit und bietet für den Messenden eine größere Bequemlichkeit. Außerdem ist das in digitaler Form anliegende Meßergebnis besonders gut für eine Weiterverarbeitung geeignet, wie z. ß. Eingabe in Drucker oder elektronische Rechner. Um die Größen digital anzeigen zu können, ist in der Regel ein Analog-Digital-Wandler nötig.

Für die Umsetzung von analogen elektrischen Größen in digitale Größen ist eine Reihe unterschiedlicher Verfahren bekannt Jj] . Eines dieser Verfahren beruht auf dem Prinzip des Sägezahnverschlüsslers. Er besteht aus drei Teilen: der Referenzspannungsquelle, einem Zeitmeßglied und einem Oszillator. Als Referenzspannung verwendet er eine mit der Zeit linear oder treppenförmig ansteigende Spannung und als zeitmessendes Glied einen elektronischen Zähler. Die Sägezahnspannung durchläuft zunächst das Nullpotential eines Nullwertvergleichers, wobei öin Startimpuls an das Tor des elektronischen Zählers abgegeben wird. Die Sciiwingungen des Oszillators werden von diesem Zeltpunkt an solange vom Zähler erfaßt, bis die ansteigende Referenzspannung den zu messenden Spannungswert Ux durchläuft und der Istwertvergleicher dabei einen Torimpuls erzeugt. Der Zählerstand ist dann ein Maß für den zu messenden Spannungswert Ux.

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Bei diesem Verfahren treten Meßungenauigkeiten u. a. dadurch auf, daß

a) zwei getrennte Vergleicher verwendet werden, die unterschiedlich driften können und

b) die Konstanz des Oszillators das Meßergebnis beeinflußt.

Außerdem ist die Meßzeit abhängig von der zu messenden Spannungshöhe.

u±e Erfindung macht es sich demgemäß zur Aufgabe, die beschriebenen Meßungenauigkeiten und Nachteile bei der Wandlung von analogen elektrischen Größen in digitale Größen nach dem Verfahren des Sägezahnverschlüsslers zu beseitigen.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung wie folgt gelöst: Die Sägezahnspannung läuft immer bis zum oberen Anschlag, der durch eine Referenzspannungsquelle festgelegt ist. Während die Sägezahnspannung hochläuft, soll vom Oszillator eine genau definierte Anzahl von Impulsen erzeugt werden. 1st das nicht der Fall, so wird die Steilheit der Sägezahnspannung solange herauf- oder herabgeregelt bis die gewünschte Anzahl von Impulsen erzeugt wird. Dadurch ist die Meßgenauigkeit unabhängig von der Konstanz des Oszillators. (Eichung)

Die zu messende analoge elektrische Größe wird in Form einer Gleichspannung laufend mit der Sägezahnspannung verglichen. Sind beide gleich, wird die Anzahl der bis dahin erzeugten Oszillatorimpulse in einem digitalen Speicher festgehalten.

fcjich- und Istwertvergleich werden mit demselben Vergleicher gemacht, so daß ein Driften des Vergleichers sowie Bauelementeabweichungen die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigen. Ein Nullpunktvergleich entfüllt.

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Wenn die zu messende analoge Größe mit Hilfe einer Referenzspannung saue He erzeugt werden kann, so ist es nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung möglich, für den Änalog-Digit al-V/andler und für die Erzeugung der Meßgröße dieselbe lieferenzspannungsquelle zu verwenden. In diesem Fall ist die Meßgenauigkeit unabhängig von der Konstanz der Referenzspannung sque1Ie»

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß

a) eine hohe Meßgenauigkeit erreicht werden kann, ohne daß an den Oszillator hohe Anforderungen bezüglich seiner Frequenzkonstanz gestellt werden müssen;

b) das Driften des Vergleichers die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigt (keine Nullpunktkorrektur);

c) jeder Meßzyklus die gleiche Zeit benötigt, unabhängig von der Polarität und der Höhe der Meßspannung;

d) nach jeder Meßphase zwangsweise geeicht wird.

Ein Ausführungsbeispie'l der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Schaltung besteht aus einem Integrator (1), einem Analogspeicher (2), einem Komparator (3), einer Referenzspannungsquelle mit komplementausgang (4), einem digitalen Vorwärtsiiückwärtszähler (5), einem Taktgenerator (6), einem digitalen foeßwertspeicher (7) und einem Steuerwerk (8).

Vor Beginn der Meßphase wird der Integrator durch Schließen des Schalters S 5 an seinem oberen Anschlagpunkt gehalten. L»er Vorwärts-Kückwärtszähler steht auf seinem Maximalwert n_max üer Zählrichtungeschälter S 8 steht auf "rückwärts". Die Meßphase wird entweder durch das Steuerwerk automatisch eingeleitet oder durch ein externes Triggersignal ausgelöst.

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Dadurch wird behälter S 5 geöffnet; die Schalter S 4 und S 2 werden geschlossen. Arn i-unkt Δ liegt somit die invertierte Referenzspannung.;. Der Integrator beginnt, die konstante Spannung- U des Analogspeichers auf zuintegrieren. In dem Augenblick, da die Integratorspannung negativ gleich der invertierten iieferenzspannung ist, beträgt am Punkt B die Spannung OV. Dadurch schaltet der komparator über das Steuerwerk die Impulse des Taktgenerators auf den Zähler. Außerdem wird der Schalter S 2 geöffnet und der Schalter b 3 geschlossen. Am Punkt ά liegt nun die Meßspannung U . Integrator und Zähler laufen parallel von ihrem Extremwert rückwärts gegen

Der Zählerstand ist dabei in jedem Augenblick ein Maß für die Spannung am Integrator (lunkt C). Durchlaufen Zähler und Integrator den Wert Null, so wird der Zählrichtungsschalter S von "rückwärts" auf "vorwärts" umgeschaltet. Der Zähler zählt nunmehr aufwärts, so daß Zähler und Integrator weiterhin parallel laufen. Sobald die Integratorspannung negativ gleich der heizspannung ist, löst der Komparator über das Steuerwerk einen Schiebeiinpuls aus, der den momentanen Zählerstand in den Speicher überträgt: Im Speicher steht damit ein Zählerstand, welcher der zu messenden Spannung U_v entspricht.

Ist die zu messende Spannung U negativ, so entsteht der Schiebeimpuls bereits in der Phase, in der der Zähler rückwärts zählte. Die Information für die Polarität der zu messenden Spannung ist damit dem Zählfichtungsschalter zu entnehmen. Sie wird - ebenfalls durch den Schiebeimpuls - in einen Vorzeichen-Speicher übernommen*

Unabhängig von der Auslösung des Schiebeimpulses durch Komparator und Steuerwerk laufen Zähler und Integrator weiter bis der Zähler seinen Extremwert erreicht hat. In diesem Aügen-

-*. 5 —

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blick wird der Zähltakt vom Zähler genommen und der Schalter S geöffnet. *L;er Zähler bleiot auf seinem Maximalwert η , _v stehen; der Integrator steht an seinem unteren Extremwert. Lie Meßphase ist damit beendet.

Nun wird vom Steuerwerk zwangsweise die üichphase ausgelöst. Zunächst werden bemalter S 3 geöffnet und Schalter b 1 und S geschlossen. Damit liegt am i-unkt A die Referenzspannung Uf. ijer comparator meluet nun an aas Steuerwerk, ob nie Integrator-Spannung (runict C) negativ gleich der Lief erenzspannung ist. 1st eine Abweichung feststellbar, so wirο mittels Schalter S die boannung U des Analogspeichers je nacii Aöweichrichtung etwas ei'iiöht oder erniedrigt. !Mach diesem abgleich wird Schalter l> 6 wieder geöffnet sowie die Schalter S 5 und. S 2 geschlossen: Ler integrator wird an seinen unteren Anschlagspunlct gefahren und der Zahlrichtungsschalter wieder auf "rückwärts" gelegt. Lsamit ist ein Meßzyklus abgeschlossen.

uev .analogspeicher sowie die Zeiten, für die der Scnalter t> betätigt wird, sind so bomessen, daß nach wenigen Keßzyklen die spannung (j den richtigen ./ert erreicht hat und damit nach iieendigung der Keßphase die Integratorspannun» am irunict C negativ gleich der iieferenzspannung ist.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I)) Schaltung» für die Umsetzung analoger elektrischer Größen in oi;;i^ale GröLen nach dem an· sich bekannten i-rinzip des

   j·

   Sägezahnyerschlüsslers

   dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit der Sägezahn— spannung mit hilfe einer iieferenzspannungsquelle der

   -G-

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   Uszillatorlrequenz angenaßt wird, ,jeder isci.'ohase zwanfsweise eine ivicbphäse iolgt und der üiieh- und lstwertvergieich zur i^liminierung der triften und .iauelemeriteaDweichunreii mit dcüiselben Verbleieher durchgeführt wird.

   2) Scaaltüng nach' itrispruch 1, ciacturch f.ekeniizeictmet, daß «^

   die zu messende analOf-ve üröbe mit iiilfe cjcrselben ^eferenzspannungsquelle erzeugt wird wie axe Eichung cies Analog-Mgital-Viandlers, so daij die lieiigenauigkeit von der Genauigkeit der lief erenzspannungsouei Le unabhängig ist.

   Literatur:

   /IjManfred Klose

   Grundlage digitaler boannunf-smesser, Teil 1 und 2.

   Elektronik, Franzis-Verlag,

   17. Jahrgang, 1968, heft 2, S. 37 bis 40 und ileft 4, ü. 117 bis 12ü.

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   L e e r s e i t e