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Schaltungsanordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
mit einem im wesentlichen aus einem Taktgenerator, einem Integrierer, einem Vergleicher,
einem ersten Zähler, einer Steuerlogik und einem zweiten Zähler mit Digitalausgabe
bestehenden Analog-Digital-Umsetzer, welcher in Form eisk trischer Signale zugeführte
analoge Meßgrößen in einem Doppelintegrationsverfahren durch Vergleich mit einem
Referenzwert in Dig@ @@w@rta umw@@
Auf den Gebieten der meteorologie,
der medizin und des Umweltschutzes (Tmmissionsmessungen) wird mehr und mehr dazu
Ubergegangen, analoge Meßgrößen für eine direkte Anzeige, für eine Dokumentation
mit Hilfe von Druckern und für eine Auswerdung auf elektronischen Datenverarbeitungsanlagen
in Digitalwerte umzuwandeln. Die Erfindung ist vorzugsweise für meteorologische
messungen vorgesehen, wobei zwischen den zu messenden Daten, wie z.B. Temperatur,
Taupunkt, Feuchte und dergleichen, und den Ausgangsgrößen,der verwendeten Meßein-@ichtungen,
z.B. Platin-Wideretände, Haarhydrometer etc., @eine linearen Zusammenhänge bestehen,
weil die Kennlinien soloher Meßeinrichtungen oder Meßwertwandler gekrümmt eind und
in einigen Fällen sogar Wendepunkte aufweisen.
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LT die darauf beruhenden Nachteile zu vermeiden, wurde bisher suht,
derartige Kennlinien mit Hilfe besonderer aktiver er passiver Analog-Netzwerke zu
korrigieren. Derartige Kor-@ekturschaltungen bestehen beispielsweise aus Verstärkern,
deren Verstärkungsgrad in Abhängigkeit von der Nichtlinearität der Kennlinie geändert
wird. Solche Korrekturschaltungen arbeiten häufig nur in einem begrenzten Bereich
der auftretenden Umgebungstemperaturen mit der gewünschten Genauigkeit. Diese Nachteile
können, wenn überhaupt, nur mit erheblichem, technischem und finanziellem Aufwand
verringert werden.
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@indung lag @@ @i @@@ zugrunde, eine einfach reieg@@@tig aufge@aut@,
mit zufriedenstellender Genauigkeit
arbeitende Schaltungsanordnung
zu schaffen, mit welcher analoge meßgrößen, deren Änderungen einer nicht linearen
Kennlinie folgen, gleichzeitig linearisiert und in Digitalwerte umgewandelt werden
können.
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Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Taktgenerator zur Kennlinienkorrektur
in seiner Frequenz umschaltbar ist, daß eine nur während der Integrationsdauer des
Referenzwertes über eine Torschaltung eingeschaltete Korrekturschaltung mit einem
voneinem Dekodierer angesteuerten Ksnnlinienkorrekturglied zwischen dem ersten Zähler
und dem Taktgeber liegt, und daß an den Ausgängen des Analogschaltwerkss parallel
angeordnete Korrekturwiderstände vorgesehen sind, welche zur F quenzumschaltung
des Taktgebers in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Dekodisrers parallel an einen
Crundwiderstand des Taktgenerators anschließbar sind.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist unter Verwendung von
handelsüblichen TTL-Eausteinen vorteilhaft einfach und preisgünstig aufgebaut und
arbeitet praktisch unabhängig von der jeweiligen Umgebungstemperatur mit hoher Genauigkeit.
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Diese Genauigkeit wird bei der Erfindung unter Anwendung des sogenannten
Doppslintegrationsvsrfahrens dadurch erreicht, daß die Kennlinienkorrektur auf digitalem
Wege in der Weise erfolgt, daß die Jeweilige Meßkennlinie mit Hilfe ausgewählter
Korrekturwideretände am Ausgang des Kennlinisnkorrskturgliedes
durch
eine entsprechende Anzahl von geraden Teil-Abschnitten angenähert wird.
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Das bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung angewendete Doppelintegrationsverfahren
läuft grundsätzlich in der Weise ab, daß zunächst in einem ersten, durch einen als
Frequenzteiler geschalteten Zähler fest vorgegebenen Integrationszeitraum, ausgehend
von einem vorzugsweise auf Null eingestellten Anfangswert eine eingegebene meßspannung
integriert wird, Darauf wird von der meßspannung auf eine Referenzspannung entgegengesetzter
Polarität umgeschaltet, welche dann in einem zweiten Integrationszeitraum, der bei
Erreichen des Anfangswertes endet, integriert wird. Beim Umschalten auf die Referenzspannung
wird über eine von der Ausgangsspannung des Vergleichers und einer gleichzeitig
angelegten Signalspannung der Steuerlogik geöffnete Torschaltung eine Verbindung
vom Taktgenerator des Analog-Digital-Umsetzers zu einem zweiten Zähler mit angeschlossener
Digital-Anzeige freigegeben, welche beim Erreichen des dem Anfangswert entsprechenden
Ausgangssignales des Vergleichers wieder unterbrochen wird.
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Die Integration einer positiven Meßspannung wird auch als Abwärtsintegration
bezeichnet, während die anschließende Integration der in diesem Falle negativen
Referenzspannung dann als Aufwärtaintegration bezeichnet wird, bei welcher der Digitalwert
der zuvor eingegebenen meßspannung in die
Digitalauagabe des zweiten
Zählers gelangt.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erfolgt nun die gewünschte
Kennlinienkorrektur vorteilhaft einfach dadurch, daß der Inhalt des ersten, zur
Festlegung der Abwartsintegrationsdausr als Frequenzteiler arbeitenden Zählers während
der Aufwärtsintegration in der Korrekturschaltung dekodiert wird, um das dekodierte
Signal Uber Analogschalter durch Zuschaltung von Widerständen oder Umschaltung von
Spannungen die Taktfrequenz des erfindungsgsmäß vorgesehenen, in seiner Frequenz
umschaltbaren Taktgenerators jeweils so einzustellen, daß der während der Aufwärtsintegration
in den zweiten Zähler mit der angeschlossenen Digitalausgabe eine gebene Zählerinhalt
dem zuvor angelegten meßwert linear folgte Durch die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen
Schaltungsanord nung ist gewahrleistet, daß Einflüsse der Taktfrequenz des Taktgenerators
und der Zeitkonstanten des Integrators auf den ausgegebenen Digitalwert ausgeschaltet
werden. Die erfindungagemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich daher bei gros@ ser
Meßgenauigkeit durch eine hohe Stabilität aus.
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Ferner werden durch Wegfall der bisher zur Kennlinienkorrekt@r verwendeten
aktiven oder passen Analog-Netzwerke die dadurch bedingten Nachteile vermieden und
eine beträchtliche Kostenersparnis erzielt,
Weitere Vorzüge und
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden
Beschreibung und der Zeichnung, in welchen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand vereinfachter Prinzipschaltbildsr erläutert und dargestellt ist.
Es zeigen : Fig. 1 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines in der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung vorgesehene Analog-Digital-Umsetzers zur Veranschaulichung des
Doppelintegrationsverfahrens und Fig. 2 ein vereinfachtes Gesamtschaltbild einer
bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Anhand der Fig. 1, die ein Blockschaltbild eines in ähnlicher Form
bereits in Digital-Voltmstern verwendeten Digital-Analog-Umsetzers zeigt, soll zum
besseren Verständnis zunachet das Doppelintegrationsverfahren ohne Kennlinienkorrektur
erläutert werden.
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Eins positive meßspannung Ux, die in einen Digitalwert umgewandelt
werden soll, kann an die Eingangsklemmen K1 und K2 angeschlossen werden. Der Schaltungseingang
kann mittels eines @ernsteuerbaren Schalters 1 auf eine mit Uref bezeichnete welse
einer negativen Referenzspannung umgeschaltet werden @ @ @ntegrat@@ als @@@@@tlicher
@estandteil der Schaltung be-@@ eine@ @@@@ @i@@@ @ondensator 3, einem @@@@v@rstärker
4 und einem fern@teuerbaren Schalter 5.
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Durch Schließen des Schalters 5 kann der Integrator vor der messung
auf den gewünschten Anfangswert gebracht werden, der bei der Erfindung mit Null
festgelegt ist. An den Ausgang des Operationsverstärkers ist ein Vergleicher 6 angeschlossen,
dessen Ausgang mit einem Eingang eines-UND-Gatters 7 verbunden ist. Eine Digitalausgabe
8 eines Zählers 9 ist an den Ausgang des UND-Gatters 7 angeschlossen. Die Schaltung
weist außerdem ein logisches Steuerwerk 10, einen als Frequenzteiler geschaltenen
zweiten Zähler 11 und einen zentralen Taktgenerator auf. Von der Steuerlogik 10
führen Steuerleitungen zu den fernsteuerbaren Schaltern 1 und 5 und zu einem Eingang
des UND-Gatters 7. Über eine weitere Steuerleitung können am Ende eines Meßvorganges
bzw. vor Beginn einer neuen messung Rückwärtsimpulse auf die Zähler 9 und 11 gegeben
werden.
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Bei Beginn einer messung wird der Schalter 5 geöffnet und der Integrator
integriert die an den Eingangsklemmen liegende positive rneßspannung Ux. Die Integratibnszeit
ist durch den als Frequenzteiler geschalteten Zähler 11 festtelegt, der so eingestellt
ist, daß er erst nach einer festgelegten Zahl der laufend vom Taktgenerator 12 zugeführten
Taktimpulse einen Steuer- oder Umechaltimpuls an den Eingang des Steuerwerkes 10
abgibt. Daraus ergibt sich eine Integrationezeit von t m 1 die wegen der in diesem
Fall negativen Ausgangsspannung a
des Integrators auch als Abwärtsintegrationszeit
bezeichnet wird. Dabei gibt m die Zahl der @ n den Zähler 11 gegebenen Impulse an,
während t2 de Periodendauer des Taktgenerators 12 ist. Nach dieser Zeit besitzt
die Ausgangæpannung a des Integrators den Wert
Nach der Integrationszeit t1 schaltet die Steuerlogik 10 aufgrund des vom Zählers
11 erhaltenen Befehls den Schalter 1 um.
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Damit wird statt der Meßspannung die negative Referenzspannung ref
an den Integrator gelegt, dessen Ausgangsspannung a nunmehr nach der Gleichung
ansteigt. Der Vergleicher 6 ermittelt den Zeitpunkt, in dem die Ausgangsspannung
a des Integrators wieder den Anfangswert Null erreicht. Die bis zu diesem Zeitpunkt
dauernde Aufwärtsintegrationszeit t3 ergibt sic@ Beziehung
Die Zeit t3 ist also der Meßspannung U x proportional.
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Die messung dieser Zeit erfolgt dadurch, daß während der Aufwärtsintegration
der Zähler 9 mit dem Taktgenerator 12 verbunden ist. Diese Verbi@@@@n@ wird über
das UND-Gatter 7 hergestellt, das mit einem dri@@@@ @@ng@ng an den Ausgang
des
Taktgenerators 12 angeschlossen ist. Da am Ausgang des Vergleichers 6 immer dann
eine logische 1 liegt, solange die Ausgangsspannung des Integrators negativ ist,
liegt gleichzeitig auch an dem vom Ausgang des Vergleichers 6 angesteuerm ten Eingang
des UND-Gatters 7 eine logische 1, und zwar solange, bis die während der Abwärtsintsgrationszeit
am Integratorausgang aufgebaute negative Ausgangspannung durch die Aufwärteintegration
wieder auf den AnFangswert Null.gebrach'c wird. In diesem Augenblick wird der Ausgang
des Vergleichers 6 von einer logischen 1 auf eine logische Null umgeschaltet und
damit das Tor 7 gesperrt. Der durch die Taktimpulse, die somit nur während der Zeit
t3 in den Zähler 9 gelangen, erreichte Zählerstand z ergibt sich demnach zu
Dies zeigt, daß weder die Zeitkonstante RC des Integrators, noch die Taktfrequenz
t2 des Taktgenerators in das meßergeb nis eingeht. Voraussetzung hierfür ist lediglich,
daß die Takt frequenz während der gesamten Integrationezeit t1 + t3 konstant ist.
Diese Kurzzeitkonstanz läßt sich jedoch ohne großen Aufwand mit verhältnismäßig
einfachen Taktgsneratorsn erreichen. Die mit dem Doppelintegrationsverfahren erreichten
Genauigkeiten liegen in einer Größenordnung von 0,01%.
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Fig. 2 zeigt ein B@@ckscha@tbil@ der gesemten erfindungsgemäßen Schaltung@@@@@@@nung,
wobei für die bereits beschriebenen
Schaltungsteile die gleichen
Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet sind.
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Dieser Teil der Schaltung in Fig. 2 unterscheidet sich gegenüber der
Fig. 1 durch das wesentliche merkmal, dass der Taktgenerator 12 in seiner Frequenz
umschaltbar ist. Derartige Taktgeneratoren sind beispielsweise ein flC-WienbrUcken-Oszillator
oder ein astabiler multivibrator. Die Frequenzumschaltung kann vorzugsweise über
Festwiderstände vorgenommen werden, dt e1ne Grundwiderstand im Taktgenerator parallel
geschaltet werden. Eine andere möglichkeit für die erfindungsgemäß vorgesehene Frequenzumachaltung
besteht darin, einen Taktgenerator in Form eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers über
verschiedene Spannungen in der Frequenz umzuschalten.
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Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung weist gegenüber Fig.
1 zusätzlich eine Schaltung zur Kennlinienkorrektur auf.
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mit der dargestellten AusführungsForm der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sollen beispielsweise Temperatur, Taupunkt und Feuchte gemessen werden. Da die hierfür
vorgesehenen meßeinrichtungen verschiedene Kennlinien besitzen, besteht die dargestellte
Korrekturschaltung aus drei gesonderten, parallel zueinander geschalteten Korrekturzweigen,
die jeweils zwischen dem ersten als Frequenzteiler geschalteten Zähler 11 und dem
Taktgeber 12 liegen.
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@@@@@ Zweig der Korre@turechalt@@@ besteht aus einer Reihenschaltung
einer
beispielsweise als UND-Gatter dargestellten Torschaltung 13, 14 bzw. 15, eines Dekodierers
16, 17 bzw. 18 und eines elektronischen Schalters 19, 20 bzw. 21.
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Ferner ist ein Eingangsschalter 22 vorgesehen, über welchen der jeweils
zu digitalisierende Meßwert der Temperatur, des Taupunktes oder der Feuchte in Form
einer Spannung U1? U2 oder U3 an die Eingangsklemmen K1, K2 des Analog-Digital-Umsetzers
gelegt wird. Die Umschaltung kann dabei wahlweise von Hand oder über eine gestrichelt
dargestellte Steuerleit auch selbsdStig vom Steuerwerk 10 gesteuert werden. Gleichzeitig
wird durch den Schalter 22 ein der jeweils ausgewählten meßkennlinie entsprechender
Zweig der Korrekturschaltung ausgewahlt. Diese Auswahl erfolgt dadurch, daß über
den Schalter aus einer nicht dargestellten Spannungsquelle eine logische 1 an einen
Eingang des UND-Gatters 13, 14 oder a des der jeweils ausgewählten Meßkennlinie
entsprechenden Zweiges der Korrekturschaltung gelangt, der dadurch für den meßvorgang
ausgewählt und vorbereitet wird.
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Die Einschaltung des ausgewählten Korrekturzweiges erfolgt dann während
der Aufwärteintegration der Referenzspannung mittels einer vom Steuerwerk 10 am
Ende der Zeit t1 der Abwärtsintegration des meßwertes auf einen weiteren Eingang
der Torechaltungen 13, 14, 15 gegebenen logischen 1.
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Da die Tore 13, 14 und 15 nur durchgeschaltet sind, wenn an beiden
Vorbereitungseingängen eine logische 1 liegt, wird
auf diese Weise
nur das vom Schalter 22 ausgewählte Tor durchgeschaltet. Über das durchgeschaltete
Tor 13, 14 bzw. 15 wird dann die Zählerinformation des Zählers Ii während der Aufwärtsintegrationszeit
t3 in den zugehörigen Dekodierer 16, 17 bzw. 1B gegeben, welcher dann den jeweils
nachgeschalteten elektronischen Schalter 19, 20 bzw. 21 ansteuert. Die elektronischen
Schalter können aus Analogschaltern, beispielsweise FET- oder MOSFET-Schaltern bestehen.
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Die Anzahl der Analogkanäle der elektronischen Schalter 19, 20 und
21 hängt von der Anzahl der von den Dekodierern 16, 17 oder 18 bereitgestellten
Digitalsignale und von der geforderten Korrekturgenauigkeit ab.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind beispielsweise
1 aus 10-Dekodierer mit vier Eingangen und zehn Ausgängen vorgesehen, wobei die
Eingänge die Wertigkeiten 1-2-4-8 haben.Die Kennlinienkorrektur erfolgt dann in
zehn Stufen über zehn Kanäle des jeweiligen elektronischen Schalters, über welchen
verschiedene Widerstände ausgewählt und zu einem Grundwidsr--stand des Taktgenerators
12 parallel geschaltet werden, dessen Taktfrequenz dadurch verändert wird.
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Auf diese Weise wird also bei der Erfindung durch Anwendung des Doppelintegrationsvsrfahrens
während der Aufwärtsintegration@z@it in Abhängigkeit vom jeweiligen Zählerstand
eines Digitalzählers die Freque@@ des zentralen Taktgenerators so eingestellt, daß
die Digitalau@ga@@@ @es Zählere 9, der von
der geänderten Taktfrequenz
angesteuert wird, der gewünschten Kennlinie folgt, die durch eine entsprechende
Anzahl von Geraden angenähert ist, Durch die Korrektur wird also eine Linearisierung
des in einen Digitalwert umgewandelten Meßsignales erreicht. Diese Linearisierung
wird bei dem mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ausgeführten Doppelintegrationsverfahrsn
mit Kennlinienkorrektur im wesentlich dadurch erreicht, daß die Taktfrequenz 1/t2
des Taktgenerators 12 bei der Aufwärtsintegration nicht mehr eine konstante, sondern
eine Variable ist, die je nach Zählerstand entsprechend der Kennlinie verändert
wird.
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Die über die beispielsweise angegebenen zehn Kanäle erfolgende Kennlinienkorektur
ist beispielsweise für eine Temperaturmessung in einem Bereich von z.B. -40° bis
+50° ausreichend genau, wobei dann die Kennlinienkorrektur in Schritten von 10 erfolgt.
Durch Erhöhung der Anzahl der Korrekturkanäle ist es jedoch ohne wesentlichen Mehraufwand
ohne weiteres möglich, praktisch jede beliebige Genauigkeit zu erreichen.
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- PATENTANSPRÜCHE -