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Anlage zur Patentanmeldung Analog-Digital-Wandler Die Erfindung betrifft
einen Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Impulsfrequenz
mit proportionaler Impulsbreite.
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Bei elektronischen Schaltungen, die insbesondere im Kraftfahrzeug
von der Bordbatterie betrieben werden sollen, und in allen anderen Fällen, wo nur
eine Versorgungsspannung vorhanden ist, ergeben sich Probleme, wenn man Messspannungen
von Null Volt bis zur Betriebsspannung digital verarbeiten will.
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Es ist ein Analog-Digital-Wandler für diesen Zweck bekannt, der jedoch
den Nachteil hat, daß er Messspannungen nicht ganz bis zum Wert Null herunter verarbeiten
kann.
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Ein weiterer Wandler dieser Art ist bekannt, der den ganzen Betriebsspannungsbereich
umfasst. Dieser ist jedoch sehraufwendig aufgebaut und benötigt insbesondere ein
Netzteil zur Erzeugung einer negativen Betriebsspannung.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Analog-Digital-UJandler
zu entwickeln, der sehr einfach und billig aufgebaut ist und mit dem dennoch Messspannungen
von Null Volt an bis zur Betriebsspannung verarbeitet werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kondensator
vorgesehen ist, der durch eine Ladestromquelle aufladbar und über einen steuerbaren
Schalter entladbar ist, daß die Kondensatorspannung in einer Vergleichsstufe mit
der Messgleichspannung vergleichbar ist, daR durch die Vergleichsstufe eine durch
eine Taktfrequenz gesetzte, bistabile Schaltstufe rücksetzbar ist und daß durch
das Ausgangssignal der bistabilen Schaltstufe der Schalter im Entladestromkreis
des Kondensators steuerbar ist.
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Um eine einfache Messbereichsumschaltung oder Umsetzfaktorumschaltung
(Zeit/Spannung) zu erreichen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Ladestromquelle
auf verschiedene Ladestromstärken umschaltbar.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß ein einfacher und billiger Aufbau erreicht wird, daß ein großer Spannungsbereich
erfasstwerden kann und daß eine sehr einfache Messbereichsumschaltung möglich ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 das Schaltbild eines
Ausffllirungsbeispiels, Fig. 2-ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion des Ausführungsbeispiels
und Fig. 3 eine Ladestromquelle mit Meßbereichsumschaltung, In dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist ein Kondensator 10 zwischen eine Konstant-Ladestromquelle
11 und Masse geschaltet. Diese Ladestromquelle 11 ist umschaltbar, d.h. es können
verschiedene konstante Ladeströme für den Kondensator gewählt werden. Die Entladung
des Kondensators
10 erfolgt über einen steuerbaren Schalter 12,
vorzugsweise ein Halbleiterschalter, und einen Entladewiderstand 13. Der Verknüpfungspunkt
des Entladewiderstands 13 und des Schalters 12 ist über einen Widerstand 14 mit
einer Versorgungsbatterie 15 verbunden, deren zweiter Anschluß an Masse liegt. Die
Versorgungsbatterie 15 ist weiterhin über einen, aus zwei Widerständen 16, 17 bestehenden
Spannungsteiler mit Masse verbunden. Eine Klemme 18, an der die Messspannung anliegt,
ist über einen Widerstand 19 mit dem Abgriff des Spannungsteilers 16, 17 sowie mit
einem Eingang einer VergleichsstuSe 20 verbunden. Der andere Eingang der über ohne
Klemme 24 -Vergleichsstufe 20 istfmit dem Kondensator 10 verbunden.
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Der Ausgang der Vergleichsstufe 20 ist an den Rücksetzeingang eines
SR-Flip-Flops 21 angeschlossen. Eine Klemme 22, an der eine Taktfrequenz anliegt,
ist mit dem Setzeingang des Flipflops 21 verbunden. Der Ausgang des Flip-Flops 21
ist sowohl mit einer Ausgangsklemme 23, wie auch mit dem Steuereingang des steuerbaren
Schalters 12 verbunden.
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Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
wird im folgenden anhand-der in Fig. 2 dargestellten Diagramme erläutert. Es werden
dazu die in der Digital-, technik üblichen Ausdrücke Eins-Signal und Null-Signal
eingeführt, wobei ein Null-Signal ein Potential bezeichnet, das ungefähr dem Massepotential
entspricht und ein Eins-Signal einem Potential entspricht, das in der Größenordnung
der Versorgungsspannung liegt.
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Durch einen Taktimpuls f erscheint am Ausgang des Flip-Flops 21 ein
Eins-Signal, wodurch sich der Schalter 12 öffnet.
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Der Kondensator 10 wird mit einem konstanten Strom der Konstant-Stromquelle
11 geladen, wodurch ein linearer Spannungsanstieg entsteht. Diese Kondensatorspannung
wird in der Vergleichsstufe 20 mit einer Gleichspannung verglichen, die sich aus
der am Abgriff des Spannungsteilers 16, 17 anliegenden
Spannung
und der an der Klemme 18 anliegenden Messspannung zusammensetzt. Wird Spannungsgleichheit
erreicht, so erscheint am Ausgang der Vergleichsstufe 20 ein Eins-Signal. Durch
dieses Eins-Signal wird der Ausgang - des Flip-Flops 21 auf ein Null-Signal zurückgesetzt,
wodurch sich der Schalter 12 schliesst.
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Der Kondensator 10 entlädt sich über den Widerstand 13, bis seine
Spannung einen Wert erreicht hat, der der Abgriffspannung des Spannungsteilers 13,
14 entspricht. Durch diese Abnahme der Kondensatorspannung wird der Ausgang der
Vergleichsstufe 20 sofort wieder auf ein Null-Signal gesetzt. Am Ausgang des Flip-Flops
21 bleibt das Null-Signal so lange bestehen, bis ein neuer Taktimpuls f erscheint.
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Wird die Messspannung an der Klemme Ib erhöht, so erhöht sich die
Spannung Ul an dem einen Eingang der Vergleichsstufe 20 und der Kondensator 10 muß
länger geladen werden, um die Vergleichsstufe 20 auszulösen. Das Eins-Signal am
Ausgang des Flip-Flops 21 wird dadurch länger. Da der Abstand der Anstiegsflanken
dieser Eins-Signale jedoch fest durch die Taktfrequenz f vorgegeben ist, ändert
sich das Tastverhältnis der an der Klemme 23 anliegenden Spannung. Die Signallänge
des Eins-Signals an der Klemme 23 ist somit ein direktes Maß für die Größe der an
der Klemme 18 anliegenden Messspannung.
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Eine Messbereichsumschaltung erfolgt dadurch, daß an der Konstant-Stromquelle
11 ein Umschalter vorgesehen ist, durch den die Größe des Ladestroms für den Kondensator
10 variiert werden kann. Für kleine Messspannungen kann die Messbereichsumschaltung
vorzugsweise dadurch geschehen, daß ein kleiner Ladestrom für den Kondensator 10
gewählt wird.
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Eine weitere Möglichkeit zur günstigen Anpassung von Messspannung
und Ladezeit des Kondensators 10 ergibt sich durch Variation der Widerstände 16,
17, 19. Durch diese Maßnahme kann die Vergleichsspannung U1- variiert werden.
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Eine günstige Auswertung der an der Klemme 23 anliegenden Spannung
ergibt sich z.B. dadurch, daß ein in der Zeichnung nicht
näher dargestellter
digitaler Zähler -angeschlossen wird, der während der Zeitdauer eines an der Klemme
23 anliegenden Impulses eine Taktfrequenz zählt. Die an der Klemme 18 anliegende
Messspannung kann dadurch direkt als Zahlenwert erfasst werden.
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Der Widerstand 19 muß so dimensioniert sein, daß bei der Meßspannung
Null an der Klemme 18 das Tastverhältnis der an der Klemme 23 anliegenden Spannung
unendlich wird, d.h. das Signal am Ausgang des Flip-Flops 21 darf sich nicht mehr
verwandern.
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Die beiden Eingangsspannungen des Komparators 20 müssen dann gleich
sein. Die eine Eingangsspannung U1 ist durch die Spannung der Versorgungsbatterie
15 und die Widerstände 1,6, 17, 19 festgelegt. Die andere Spannung ist gleich dem
Spannungsabfall, der infolge des durch den Schalter 12 und den Widerstand 13 fließenden
Stroms der Ladestromquelle 11 auftritt.
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Durch geeignete Dimensionierung des Widerstands 13 kann somit ein
Nullabgleich erreicht werden.
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Es tritt nun die Schwierigkeit auf, daß bei Meßbereichsumschaltungen
in der Stromquelle 11 verschiedenen Ladeströme in den Kondensator lo, bzw. durch
den Schalter 12 und den Widerstand 13 fließen. Dadurch müßte für jeden Meßbereich
erneut ein Nullabgleich erfolgen, Es könnte dabei ein-NuElpunktsfehler auftreten.
Zur Vermeidung eines solchen Nullpunktfehlers ist eine in Fig. 3 dargestellte Ladestromquelle
mit Meßbereichsumschaltung vorgesehen, % urch nur ein einziger Nullabgleich nötig
ist, der dann für alle Meßbereiche gilt.
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Bei dieser in Fig. 3 dargestellten Ladestromquelle liegt eine stabilisierte
Spannung an einer Klemme 3o an. Diese Klemme 3O ist über die Reihenschaltung der
Emitter-Kollektor-Strecke eines ENP-Transistors 31, eines Widerstands 32 und der
Emltter-IVollektor-Strecke eines PNP-Transistors 33 mit der Klemme 24 verbunden.
Parallel zu der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 31 und dem Widerstand
32 ist ein Widerstand 34- geschaltet. Zwei Basisvorwiderstande 35, 36,
deren
Verknüpfungspunkt an die Basis des Transistors 31 angeschlossen ist, sind zwischen
die Klemme 3o und Klemme 37 geschaltet, über die die Meßbereichsumschaltung erfolgt.
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Die Klemme 3o ist weiterhin über die Reihenschaltung einer Diode 78
mit einem einstellbaren Widerstand 39 an die Basis des Transistors 33 angeschlossen,
Die Basis des Transistors 33 ist weiterhin über einen aus zwei Widerständen 4o,
41 bestehenden Spannungsteiler mit Masse verbunden. Der Verknüpfungspunkt der beiden
Widerstände 4o, 41 ist über die Kathoden-Anoden-Strecke einer Diode 42 und eine
in Reihe dazu geschaltete Umkehrstufe 43 mit der Klemme 23 verbunden.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltung ist im folgenden
beschrieben. Die Meßbereichsumschaltung erfolgt über die Klemme 37, an die wahlweise
ein Null-Signal oder ein Eins-Signal angelegt wird. Dadurch ist der Transistor 31
entweder stromleitend oder nicht stromleitend. Im ersteren Fall ist die Parallelschaltung
der beiden Widerstände 32, 34 für den Kondensatorladestrom des Kondensators lo wirksam,
im zweiten Fall nur der Widerstand 34. Es ergeben sich dadurch 2 Meßbereiche. Für
die Dauer der Kondensatorladung ist der Schalter 12 geöffnet, d.h,. an der Klemme
23 liegt ein Eins-Signal. Dieses Eins-Signal wird durch die Umkehrstufe 43 in ein
Null-Signal umgewandelt und über die Diode 42 dem Spannungsteiler 40, 41 zugeführt.
Der Transistor 33 ist stromleitend und der Kondensator lo kann daher entweder über
den Widerstand 34 oder über die Parallelschaltung der Widerstände 32. 34 geladen
werden. Die Diode 38 dient. zur Tempevon Transistor, 33 raturompensaionU. wenn sich
durch Signaländerung am Ausgang des Flip-Flops 21 der Schalter 12 schließt, so entlädt
sich der Kondensator lo über den Schalter 12 und den Widerstand 13. Das an der Klemme
23 anliegende Null-Signal wird durch die Umkehrstufe 43 in ein Eins-Signal umgewandelt,
durch das die Basisspannung des Transistors 33 angehoben wird.
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Durch den variablen Widerstand 39 und den Spannungsteiler 4O, 41 läßt
sich die Basisspannung so genau einstellen, daß der Transistor 33 nahezu sperrt.
Von der Ladestromquelle 11 fließt daher nur noch ein sehr geringer Strom über den
Schalter 12 und den Widerstand 13. Der Spannungsteiler 15, 14 kann daher sehr hochohmig
ausgelegt werden und der Strombedarf der Schaltung verringert sich beträchtlich.
Der Nullpunktsfehler verringert sich durch den sehr kleinen Strom um mehrere Größenordnungen.
Eine Veränderung dieses kleinen Stroms durch Meßbereichumschaltung wirkt sich also
kaum noch aus. Natürlich muß der Widerstand 13 so ausgelegt sein, daß sich der Kondensator
lo über ihn noch in genügend kurzer Zeit entladen kann.
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Die Umkehrstufe 93 kann entfallen, wenn statt des beschriebenen Schalters
12 ein Schalter gewählt wird, der bei einem Eins-Signal an seinem Steuereingang
geschlossen und bei einem Null-Signal geöffnet ist. Der Steuereingang dieses Schalters
muß dann statt an die Klemme 23 an den komplementären Ausgang des Flip-Flops 21
angeschlossen sein.