DE2410633C2 - Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer analogen Eingangsspannung in einen digitalen Ausgangswert - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer analogen Eingangsspannung in einen digitalen Ausgangswert nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Derartige Schaltungsanordnungen, auch Analog-Digital-Wandler genannt, sind an skh bekannt und lassen sich nach verschiedenen Wandlungsverfahren klassifizieren.

So beruht z. B. das Kompensationsverfahren darauf, daß einem Digital-Analog-Wandler so lange verschiedene Zahlen zugeführt werden, bis seine Ausgangsspannung gleich der Meßspannung :?t Zur systematischen Erzeugung der Zahlen eignet sich ein Vorwärts-Rückwärtszähler, der vom Ausgang eine^ die Meßspannung und die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers vergleichenden Komparators gesteuert wird. Die Feinheit des Abgleichs wird durch die Schrittweite des Digital-Analog-Wandlers bestimmt.

Aus diesem Grunde erweist es sich insbesondere bei hohen Meßgenauigkeiten als erforderlich, sehr aufwendige, mit langen Wandelzeiten behaftete Digital-Analog-Wandler einzusetzen.

Höhere Signalverarbeitungsgeschwindigkeiten lassen sich u. U. mit Digital Differential Analyzers (DDA) erzielen, die z. B. aus der US-PS 28 41 328 bekannt sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer analogen Eingangsspannung in einen digitalen Ausgangswert mit den kennzeichnenden Merkjnalen des Anspruchs 1 in Verbindung mit denen des Oberbegriffs hat demgegenüber den Vorteil, daß auf einfache Art und Weise und mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit eine Digitalzahl in eine Spannung umgesetzt werden kann.

Das der erfindungsgemäßen Digital-Analog-Wandlung zugrunde liegende Prinzip basiert auf einer Digital-Frequenz-Wandlung, zu der ein DDA-Multipli- w> zierer vorgesehen ist.

Als ein weiterer Vorteil dieses Wandlungsprinzips ist die Tatsache anzusehen, daß das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers einmal als seriell weiterzuverarbeitende Impulsfolgefrequenz und zum anderen als M parallel zu verarbeitende Digi'alzahl zur Verfügung steht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels und aus der Zeichnung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgender. Beschreibung näher erläutert Die einzige Figur zeigt eine Schaltungsanordnung eines Analog-Digital-Wand-Iers nach Anspruch 1. Die in der Figur angegebenen Doppellinien markieren Mehrfachleitungen zur Obertragung von binären Zahlen. Einfache Linien bedeuten demgegenüber einpolige Leitungen und dienen zur Übertragung einer Frequenz oder eines analogen is Spannungswertes.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der F i g. 1 ist mit 10 ein Eingang für die zu wandelnde Spannung bezeichnet Er ist über einen Widerstand 11 auf einen Plus-Eingang 12 eines Komparators 13 mit einem Minus-Eingang 14 und einem Ausgang 15 geschaltet Der Ausgang 15 des Komparators 13 ist mit einem Eingang ίό eines Vor-Rückwärtszählers 17 gekoppelt Einem weiteren Eingang 18 des Vor-Rückwärtszählers 17 ist eine Zählfrequenz fz zuführbar, und ein Ausgang 19 ist mit einem Eingang 21 eines DDA-Multiplizierers 20 (Digital-Differential-Analyser) verbunden sowie mit einem Zahlenausgang 24. An einem Eingang 22 des DDA-Multiplizierers 20 liegt eine Frequenz fx an. Das in Form einer Frequenz vorliegende Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers nach der F i g. 1 steht am Frequenzausgang 25 zur Verfügung. Dieser Frequenzausgang 25 ist mit einem Ausgang 23 des DDA-Multiplizierers 20 verbunden und zugleich mit einem Eingang 27 eines Digital-Analog-Wandlers 28.

Der Digital-Analog-Wandler 28 besteht aus Pegelumsetzer und nachgeschaltetem RC-GWed. Der Pegelumsetzer wird durch die Reihenschaltung zweier Feldeffekttransistoren 29 und 30 gebildet. Während das Gate 32 des Feldeffekttransistors 29 direkt mit dem Eingang 27 verbunden ist, liegt zwischen dem Gate 33 des Feldeffekttransistors 30 und diesem Eingang 27 ein Inverter 34. Der Verbindungspunkt 36 zwischen den beiden Feldeffekttransistoren 29 und 30 ist galvanisch über einen Widerstand 37 mit einem Knotenpunkt 38 gekoppelt Von diesem Knotenpunkt 38 aus liegt einmal ein Kondensator 39 an Masse, und zum anderen ist er als Ausgang 40 des Digital-Analog-Wandlers 28 über einer. Widerstand 41 auf den Minus-Eingang 14 des Komparators 13 geschaltet. Die Reihenschaltung der beiden Feldeffekttransistoren 29 und 30 liegt schließlich noch zwischen Masse und einem Anschluß 42 für eine Referenzspannung.

Liegt am Eingang 10 der Schaltungsanordnung nach der F i g. 1 ein analoger Spannungswert an, so gibt der Komparator 13 an seinem Ausgang ein positives oder negatives Signal ab entsprechend der Spannung an seinem Minus-Eingang 14. Die Polarität des Ausgangssignals des Komparators 13 ist bestimmend für die Zählrichtung des Vor-Rückwärtszählers 17. Für die Zählgeschwindigkeit des Vor=Rückwärtszählers 17 ist die Zählfrequenz fz maßgebend, die am Eingang 18 anliegt. Das in Form einer Binärzahl erscheinende Ausgangssignal des Vor-Rückwärtszählers 17 steht als Zahl am Ausgang 24 des Analog-Digital-Wandlers zur Verfügung und liegt gleichzeitig am Eingang 21 des DDA-Multiplizierers 20. In diesem DDA-Multiplizierer

20 erfolgt nun eine Multiplikation der Frequenz fx mit depi Ausgangswert des Vor-Rückwärtszählers 19. Das Ergebnis der Multiplikation erscheint in Form einer Frequenz am Ausgang 23 des DDA-Multiplizierers 20 und damit am Frequenzausgang 25.

Bei gleichem Vorzeichen des Ausgangssignals des (Comparators 13 zählt der Vor-Rückwärtszähler 17 fortlaufend in der gleichen Zählrichtung. Damit erhöht sich auch laufend die Frequenz am Frequenzausgang 25. Da jedoch bei konstanter Eingangsspannung am u> Eingang 10 auch ein annähernd konstantes Ausgangssignal in Form einer Frequenz am Frequenzausgang 25 auftreten soll, wird dieses Ausgangssignal des DDA-MuUiplizierers 20 über einen Digital-Analog-Wandler 28 auf den Minus-Eingang 14 des (Comparators 13 i> zurückgekoppelt.

Im Digital-Analog-Wandler 28 erzeugt eine Frequenz am Eingang 27 ein periodisches Leiten und Sperren der beiden Feldeffekttransistoren 29 und 30. Der Kondensator 39 wird damit wechselweise aufgeladen über den Feldeffekttransistor 29 und entladen über den Feldeffekttransistor 30. Es stellt sich ein Mittelwert der Spannung am Knotenpunkt 38 gegen Masse ein, und dieser Mittelwert bildet die Eingangsspannung am Minus-Eingang des Komparators 13. Ein oberer Grenzwert für die Spannung am Kondensator 39 ist von der Referenzspannung am Anschluß 42 abhängig; die Referenzspannung beeinflußt die Steilheit der Kennlinie der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Welligkeit der Eingangs-Spannung am Minus-Eingang }'· 14 des Komparators 13 ist durch die Zeitkonstante aus dem Widerstandswert des Widerstandes 37 und der Kapazität des Kondensators 39 bestimmt. Für den Vor-Rückwärtszähler 17 läßt sich vorzugsweise ein Zähler mit dualem Zählsystem verwenden. Dieses duale J^ System ist jedoch nicht zwingend, sofern gewährleistet ist, daß je nach Eingangssignal am Eingang 16 des Vor-Rückwärtszählers 17 der Ausgangswert des Zählers entweder steigende oder fallende Tendenz besitzt. Diese Zuordnung muß infolge der anschließenden «0 Multiplikation des Ausgangswertes des Vor-Rückwärtszählers mit der Eingangsfrequenz fx gewährleistet sein.

Die Schaltungsanordnung läßt sich nicht nur zur Umsetzung einer analogen Eingangsspannung in einen digitalen Ausgangswert verwenden. In ihrer Eigenschaft ·*■> als Analog-Digital-Wandler kann sie darüber hinaus als Dividierer eingesetzt werden. Die am Frequenzausgang 25 erhaltene Frequenz /ist in der Schaltungsanordnung von Fig. 1 das Produkt aus der Frequenz fx und dem Zahlenwert des Vor-Rückwärtszählers 17. Setzt man für diesen Zahlenwert den Buchstaben Z, so ergibt sich die Formel

f=fx-Z

Die Frequenz / entspricht jedoch infolge der Analog-Digital-Wandlung der Eingangsspannung Ue am Eingang 10. Eine Umstellung der obenstehenden Formel liefert daher

z-J--Ol.

fx fx

Für die Genauigkeit der oben behandelten Analog-Digital-Wandler sind die Frequenzen fz und fx maßgebend. In der Schaltungsanordnung der Fi g. 1 ist der Zählerstand des Vor-Rückwärtszählers 17 bei gegebener Eingangsspannung L/ieducii die Frequenz fz festgelegt Für die Höhe der Ausgangsfiequenz / am Frequenzausgang 25 ist dagegen in erster Linie die Frequenz fx entscheidend.

Wird als Komparator 13 ein Zweipunktglied verwendet, darr, zählt der Vor-Rückwärtszähler 17 laufend entweder vorwärts oder rückwärts. Am Frequenzausgang 25 ergibt sich damit eine Schwankung des Ausgangssignals.

Die Dämpfung der Frequenzschwankungen ist durch die Regelkreischarakteristik bestimmt Diese setzt sich aus Integrator (VR-Zähler) und 7?C-Glied zusammen und bewirkt insgesamt eine Tiefpaßcharakteristik 2. Ordnung. Durch entsprechende Abstimmung von Integratorzeitkonstante und Zeitkonstante des RC-Gliedes ist ein Kompromiß zwischen schnellem Ansprechen des Kreises und guter Glättung zu erreichen.

Bei Verwendung eines Dreipunktgliedes bestekt die Möglichkeit, den Vor-Rückwärtszähler 17 auch während des Zählvorganges zu stoppen. In diesem Fall würde sowohl der Zahlenwert des Vor-Rückwärtszählers 17 den gleichen Wert beibehalten als auch am Frequenzausgang keine Schwankung mehr auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer analogen Eingangsspannung in einen digitalen Ausgangswert mit einem Regelkreis aus einem Komparator (13), einem Vor-Rückwärtszähler (17), einem Zahlen-Frequenz-Wandler (20) und mit einem Digital-Analog-Wandler (28), dadurch gekennzeichnet, daß als Zahlen-Frequenz-Wandler ein DDA-Multiplizierer (20) vorgesehen ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Komparator (13) ein Zweipunktglied vorgesehen ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Komparator (13) ein Dreipunktglied vorgesehen ist