DE2547785A1 - Analog-digital-wandler - Google Patents

Description

Analog«Digital«Wandler

Die Erfindung "betrifft einen Analog-Digital-Wandler, insbesondere einen solchen Analog-Digital-Wandler, welcher den Nullabgleich bzw« die Nullpunkteinstellung sowie die Skalen-Endwert- bzw. Vollbereicheinstellung mit hoher Präzision durchzuführen und eine größenmäßige (ratiometric) Umwandlung zu gewährleisten vermag, indem er eine Analogeingangsspannung und eine Bezugsspannung auf die gleiche Polarität bringt, und welcher nach dem Doppelsteilheitssystem (dual slope system) arbeitet.

Doppelsteilheit-Analog-Digital-Wandler stehen derzeit verbreitet im Gebrauche Fig_e 1 veranschaulicht beispielsweise das Arbeitsprinzip und die Schaltungsanordnung eines derartigen, bisher verwendeten Wandlers, während Fig_e 2 eine Betriebswellenform veranschaulicht« In Fig_e 1 ist mit Vo eine zu messende Eingangsspannung angegeben, während mit -V^ eine Bezugsspannung, mit Vq eine Vergleichs-Bezugsspannung, mit

v_eI_e/Bl/ro -

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ein Gleichstromverstärker und mit 2 ein Analogkomparator bezeichnet sind,, Wenn einer Eingangsklemme 3 während einer vorbestimmten Zeitspanne T₁ bei in der dargestellten Stellung befindlichem Schalter 4 die Eingangsspannung Vo aufgeprägt wird, fällt eine Ausgangsspannung V_Q vom Gleichstromverstärker 1 gemäß Fig„ 2 vom Bezugspegel V_c ab_o Der durch diesen Abfall festgelegte Neigungswinkel wird durch die Zeitkonstante einer Integrations schaltung bestimmt, d_oh_o durch das Multiplikationsprodukt aus dem Widerstand R eines Eingangs Widerstands und der Kapazität C eines Integrationskondensators» Anschliessend wird der Schalter 4 auf die Eingangs klemme 5 umgelegt, um dem Analog-Digital-Wandler eine Eingangs spannung -V_R zuzuführen. Infolgedessen steigt die Aus gangs spannung Vq so an, daß sie den Bezugswert V^ zu einem Zeitpunkt T₂ schneidet,, Der durch die sich erhöhende Ausgangsspannung V_Q festgelegte Neigungswinkel wird ebenfalls durch die Zeitkonstante CR der Integrationsschaltung bestimmt. Zwischen Abfall und Anstieg der Ausgangsspannung V₀ besteht dabei die folgende Beziehung:

V₃T₁ + (-Vj₁) T₂ = O

V₃ T₂

Infolgedessen gilt ψ=· = ψ-₀ Die Zeitpunkte T₁, T₉ werden durch

v_R I₁ ι <l

Zählen der abgegebenen Taktimpulse bestimmte In diesem Fall , stellt die Zahl der während der Zeitspanne T₂ gezählten Taktimpulse den Analog-Digital-Umwandlungswert der Eingangsspannung V₃ darβ

Die Arbeitsweise des herkömmlichen Doppelsteilheits-Analog« Digital-Wandlers beruht auf dem vorstehend beschriebenen Prinzip ο Dem Doppelsteilheitssystem gemäß Fig„ 1 haften jedoch die beiden schwerwiegenden, nachstehend erläuterten Mängel an.

Der erste Mangel besteht ,darin, daß dann, wenn aufgrund des

tÄDweich- oder
Vorhandenseins ae?\ Verlage rungs spannung AV des Gleichstromverstärkers 1 ein Zeitunterschied in der Analog-Digital-Um-.

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Wandlung bzw«, -umsetzung auftritt, das folgende Verhältnis zwischen den Pegeln bzw. Werten der Eingangs spannung V„ und der Bezugsspannung -V_R resultiert:

V To

la - (λ Ali ^T

V "*»'"" ν 'Τ¹ "™ V

R R 1 R

v_s T₂

Infolgedessen vermag das Verhältnis ψ- das Verhältnis ητ-

^VR ¹I

nicht zu bezeichnen bzw. nicht darzustellen. Zur Ausschaltung dieses Mangels sind bereits zahlreiche Verfahren bzw. Möglichkeiten vorgeschlagen worden, beispielsweise ein Verfahren zur von Hand erfolgenden Durchführung des Nullabgleichs und des Vollbereichabgleichs der Verlagerungsspannung des Gleichstromverstärkers 1 oder zur Durchführung seines Null- und Vollbereichabgleichs durch Ausziehen der Verlagerungsspannung, um sie der Eingangs spannung und der Bezugs spannung zu überlagern

Der zweite Nachteil liegt darin, daß die unterschiedlichen Polaritäten der Eingangs spannung und der Bezugs spannung Schwierigkeiten bezüglich der Durchführung der ratiometrischen bzw_e größenmäßigen Umwandlung auf werfen« Diese ratiometrische Umwandlung kann nur dann erzielt werden, wenn Eingangs- und Bezugsspannung die gleiche Polarität besitzen* Beim bisher verwendeten Analog-Digital-Wandler war es deshalb für die ratiometrische Umwandlung erforderlich, eine Spannung Vq zu liefern, welche denselben Wert besitzt wie die Bezugsspannung -V^ und die dieser Bezugs spannung entgegengesetzte Polarität,, Daher war es jedoch äußerst schwierig, zwei verschiedene Spannungen mit positiver und negativer Polarität zu erhalten, die genau dieselbe Amplitude besitzen» Jeder Amplitudenunterschied führte dabei unmittelbar zu Fehlern in der Arbeitsweise des Analog-Digital-Wandlers, wodurch es unmöglich wurde, völlig genaue Werte der ratiometrischen Umwandlung zu erzielen₀

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Zur Ausschaltung der beiden vorgenannten Mangel der bisher verwendeten Analog-Digital-Wandler sind verschiedene automatische Einrichtungen für den Null- und Vollbereichabgleich der Verlagerungsspannung eines Gleichstromverstärkers vorgeschlagen worden, während jedoch noch kein zufriedenstellendes Verfahren zur Gewährleistung einer genauen ratiometrischen Umwandlung bzw₀ Umsetzung entwickelt worden ist.

Die Erfindung wurde nun im Hinblick auf die vorgenannten Umstände entwickelt, und es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Analog-Digital-Wandler zu schaffen, bei welchem Null- und Vollbereichabgleich der Verlagerungsspannung eines Gleichstromverstärkers automatisch und genau in dem erforderlichen Ausmaß der Analog-Digital-Umwandlung durchgeführt werden und die Bezugsspannungen auf die gleiche Polarität eingestellt werden können, wodurch eine ratiometrische bzw» größenmäßige Umwandlung erreicht wird_o

Diese Aufgabe wird bei einem Analog-Digital-Wandler, bestehend aus zwei Signaleingangsklemmen, an welche über einen Analogschalter selektiv eine Eingangs-Analogspannung, eine erste Bezugsspannung und eine zweite Bezugsspannung anlegbar sind, eine Integrationsschaltung mit zwei Integrationswiderständen, die selektiv mit der ersten und der zweiten Signaleingangsklemme verbindbar sind, mit einem Gleichstromverstärker, der eine Inversionseingangsklemme, an welche die beiden Integrationswiderstände angeschlossen sind, und eine nicht-invertierende Eingangsklemme aufweist, an welcher eine vorbestimmte Spannung mit einem zwischen dem Wert der ersten und der zweiten Bezugsspannung liegenden Mittelwert anlegbar ist, und mit einem zwischen eine Ausgangsklemme des Gleichstromverstärkers und die Inversionseingangsklemme geschalteten Integrationskondensator, einem Analogkomparator, dessen erste Eingangsklemme an die Ausgangsklemme des Gleichstromverstärkers angeschlossen und an dessen zweite Eingangsklemme eine Vergleichs-Bezugsspannung

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anlegbar ist, und einer Steuerschaltung, um bei Eingang eines Ausgangssignals vom Analogkomparator über den Analogschalter selektiv die Analogspannung, die erste Bezugs spannung bzw«, die zweite Bezugsspannung an die beiden Signaleingangsklemmen anzulegen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung eine erste Umschalteinrichtung zum Umschalten des Analogschalters zwecks Anlegung der Eingangsspannung sowie der ersten oder der zweiten Bezugsspannung an den ersten und zweiten Integrationswiderstand, eine zweite Umschalteinrichtung zum Umschalten des Analogschalters, um an den ersten und den zweiten Integrationswiderstand die Eingangsspannung, die erste Bezugsspannung oder die zweite Bezugsspannung in einer gegenüber der ersten Umsehalteinrichtung unterschiedlich kombinierten Weise anzulegen, und eine Einrichtung zur Erzielung eines Digitalwerts entsprechend einer durch die erste und die zweite Umschalteinrichtung gewährleisteten Summe der Ausgangsspannungen des Integrators aufweist, wobei unter Heranziehung des von der zuletzt genannten Einrichtung gelieferten Digitalwerts eine einer Analog-Digital-Umwandlung unterworfene Größe der Eingangs spannung erhalten wird«,

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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformeη der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläuterte Es zeigen:

Fig,, 1 ein Blockschaltbild eines Doppelsteilheit-Analog-Digital-Wandlers gemäß dem Stand der Technik,

Figo 2 eine graphische Darstellung der Arbeitsweise des Analog-Digital-Wandlers gemäß Fig. 1,

Fig„ 3 ein Blockschaltbild eines Analog-Digital-Wandlers gemäß der Erfindung,

Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen der Arbeitsweise des Analog-Digital-Wandlers gemäß Fig„ 3$

Figo 6 ein Blockschaltbild einer beim Analog-Digital-Wandler gemäß Fig. 3 vorgesehenen Steuerschaltung,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Arbeitsbedingungen eines bei der Steuerschaltung gemäß Fig. 6 vorgesehenen Zählers,

Figo 8 ein Blockschaltbild eines Analog-Digital-Wandlers gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig» 9 ein Einzelheiten veranschaulichendes Blockschaltbild einer bei der Ausführungsform gemäß Figo 8 vorgesehenen Steuerschaltung,

Fig. 10 und 11 graphische Darstellungen der Arbeitsweise eines Analog-Digital-Wandlers unter Verwendung der Steuerschaltung gemäß Figo 12,

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Fig» 12 ein Einzelheiten veranschaulichendes Blockschaltbild einer bei einem Analog-Digital-Wandler gemäß einer weiter abgewandelten Ausführungsform verwendeten Steuerschaltung,

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Arbeitsbedingungen des Zählers gemäß Fig. 12,

Fig. 14 ein Blockschaltbild eines Analog-Digital-Wandlers gemäß einer noch weiter abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und

Figo 15 eine graphische Darstellung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 14.

Gemäß Fig., 3 wird den an einen Analogschalter 14 angeschlossenen Eingangsklemmen 8, 9 und 10 eine Eingangsspannung Vg, eine Bezugsspannung V^ bzw„ eine Mas se spannung 0 aufgeprägt. Ein Ausgangssignal vom Analogschalter 14 wird einer Inversionsoder Umkehreingangsklemme eines einen Integrator I bildenden Gleichstromverstärkers 11 über zwei Signaleingangsklemmen 13a, 13b und zwei Integrationswiderstände R₁, ILp mit jeweils praktisch dem gleichen Widerstandwert zugeführt« Wie bei der Aus« führungsform gemäß Fig. 8 vermag die Analogschalteranordnung Jede der drei Eingangsspannungen Vg, Vp, 0 zu einer ausgewählten Signaleingangsklemme 13a, 13b zu liefern. Der nicht-invertxerenden Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers 11 wird eine Spannung mit einem Wert bzw«. Pegel Vq/2 gleich der Hälfte des Werts der Bezugs spannung V_R aufgeprägte Die Bezugsspannungseingangsklemme eines Analogkomparators 12 wird mit einer Vergleichs-Bezugsspannung V^ gespeist,, Ein Ausgangssignal vom Analogkomparator 12 wird einer Steuerschaltung 15 zugeführt, die auf noch näher zu beschreibende Weise die Arbeitsweise der Umschalt-Analogschalteranordnung 14 steuert und außerdem in Abhängigkeit von einer Analogeingangsspannung ein Digitalausgangssignal erzeugt«

/1

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Analogeingangsspannung V^ und Bezugsspannung Vq besitzen die gleiche Polarität,, Die nicht-invertierende Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers 11 wird mit einer Spannung V_R/2 gespeist. Der Gleichstromverstärker 11 ist an die beiden Integrationswiderstände R^, R₂ mit jeweils gleichem Widerstandswert und den Integrationskondensator C, die gemeinsam einen Integrator bilden, angeschlossen.

Im folgenden ist die Arbeitsweise eines Analog-Digital-Wandlers gemäß der Erfindung unter der Voraussetzung beschrieben, daß Eingangsspannung Vq und Bezugsspannung V_R jeweils eine positive Polarität besitzen,, Die Signaleingangsklemmen 13a, 13b werden auf die in Fig. 3 und 4 gezeigte Weise je nach Betätigung der Umschalt-Analogschalteranordnung 14 auf vierfache Weise mit einer der Spannungen V_s» V_R und 0 (Massespannung) gespeiste In diesem Fall sendet die Steuerschaltung 15 zunächst ein Umschaltsteuersignal zum Analogschalter 14, um den beiden Signaleingangsklemmen 13a, 13b die gleiche Bezugsspannung V_R aufzuprägen» Wenn dieser Zustand während einer vorbestimmten Zeitspanne T^ andauert, fällt die Ausgangsspannung Vq vom Gleichstromverstärker 11 auf die durch die Integrationswellenform gemäß Fig. 4 dargestellte Weise während einer Zeitspanne vom Zeitpunkt t_Q bis zu einem Zeitpunkt t^, d„h_e während der vorbestimmten Zeitspanne T^, ab. Gemäß Fig„ 4 wird die Ausgangsspannung Vq des Gleichstromverstärkers 11 von einem Punkt an aufgeprägt, welcher durch den Pegel der Vergleichs-Bezugsspannung Vq zum Vergleich durch den Analogkomparator 12 angedeutet ist« In der Praxis beginnt jedoch die Anlegung der Aus gangs spannung Vq des Gleichstromverstärkers 11 vorzugsweise von einem etwas höher als der Pegel der Vergleichs-Bezugsspannung Vq liegenden Punkt aus, so daß die Stelle, an welcher der Anfangspunkt der Aus gangs spannung V_Q den Pegel der Bezugsspannung Vq schneidet, genau definiert isto Der Winkel einer abfallenden Linie, welche den Abfall der Aus gangs spannung Vq während der vorbestimmten Zeitspanne T«.

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angibt, wird durch einen Wert gleich der Hälfte der Zeitkonstante CR des Integrators I bestimmte Wenn die Bezugsspannung Vj, während der vorbestimmten Zeitspanne T«. weiter angelegt wird, ändern die bewegbaren Kontakte des Analogschalters 14 ihre Stellung, so daß die Eingangsklemmen 13a, 13b mit einer Massespannung 0 gespeist werden«, Infolgedessen steigt die Ausgangsspannurg Vq des Gleichstromverstärkers 11 während einer Zeitspanne von einem Zeitpunkt t.. bis zu einem Zeitpunkt ±21 doho während einer Zeitspanne T₂, fortlaufend an, um dann den Pegel der Vergleichs-Bezugsspannung V~ zu erreichen«, Für die Zeitspannen T₁, T2 gelten die folgenden Gleichungen:

und T₂ besitzen dabei die folgende Beziehung:

1 AV

^T2 -

1 ^ dV

* ^VR

Die Verlagerungsspannung am nicht-invertierenden Eingang des Gleichstromverstärkers 11 läßt sich daher wie folgt ausdrücken:

- T₂)

= oV
^V

= = ! =— oV

T₁ + T₂ ^VR

In diesem Fall kann die Beziehung zwischen T₂ und T₁ wie folgt dargestellt werden:

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T₂ = T₁ + ΔΤ,

ΔΤ = der Zeitunterschied aufgrund von £&_o

Infolgedessen kann der Zeitunterschied 4T als

ΔΤ = T₂ - T₁
angegeben werden.

In der ersten Betriebsstufe werden die beiden Signaleingangsklemmen 13a, 13b während einer vorbestimmten Zeitspanne T₁ mit der Bezugsspannung Vq gespeiste Später werden beide Eingangsklemmen 13a» 13b an Masse gelegt, und es wird eine Zeitspanne T₂ gemessen, die erforderlich ist, damit der Pegel der Aus gangsspannung V_Q den Pegel der Bezugsspannung Vq erreichen kann» &£ wird dabei anhand von T₁ und T₂ ermittelt. Diese Betriebsstufe ist zwar nicht tatsächlich diejenige, in welcher der Pegel eines Analogeingangssignals bestimmt wird, doch wird dabei die Messung der für die automatische Einstellung bzw₀ den automatischen Abgleich erforderlichen Korrekturgröße vorgenommene Der Pegel bzw_e Wert des Analogeingangs signals wird tatsächlich in der nachfolgenden Stufe gemessen«

Wenn der Pegel oder Wert der Aus gangs spannung Vq des Gleichstromverstärkers 11 denjenigen der Bezugsspannung V« erreicht und der Komparator 12 ein Aus gangs signal liefert, wird die Eingangsklemme 13a mit einer Eingangs spannung V₃ und die Eingangsklemme 13b mit einer Bezugsspannung V_R während einer Zeitspanne von einem Zeitpunkt t₂ bis zu einem Zeitpunkt t^, d_eh₀ während einer Zeitspanne gleich der Hälfte einer Periode T-, (unter der Voraussetzung, daß 0 ^ Vg ^ V_R gilt), gespeiste Infolgedessen fällt die Ausgangsspannung Vq des Gleichstromverst«-ärkers 11 wieder ab„ In diesem Fall wird die Zeitspanne T- auf die gleiche Weise wie die Zeitspanne T₁ gemäß folgender Gleichung bestimmt:

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T₁ -

Nachdem während der ersten Hälfte der Zeitspanne T, der Eingangsklemme 13a die Eingangsspannung Vg und der Eingangsklemme 13b die Bezugsspannung V_R aufgeprägt worden ist, wird während der zweiten Hälfte der Zeitspanne T, umgekehrt der Eingangsklemme 13a die Bezugsspannung V_R und der Eingangsklemme 13b die Eingangsspannung Vg aufgeprägte Später werden beide Eingangsklemmen 13a, 13t» mit einer Massespannung 0 gespeist» Die Messung erfolgt wiederum während einer Zeitspanne T₄ von einem Zeitpunkt t^ bis zu einem Zeitpunkt t-, welcheijferforderlich ist, damit der Pegel oder Wert der Aus gangs spannung Vq des Gleichstromverstärkers 11 den Pegel bzw. Wert der Vergleichs-Bezugs spannung V^ erreichen kann.

Die Beziehung zwischen den Zeitspannen T, und T₄ läßt sich auch durch folgende Gleichungen ausdrücken:

Aus diesem Grund läßt sich das Verhältnis zwischen den Pegeln bzw. Werten der Eingängespannung Vg und der Bezugsspannung V_R wie folgt ausdrücken:

R^ IC. IC

T₂ - T₁, kann die obige Gleichung wie folgt umgeschrieben werden:

ν Ti ^m —
^VS ⁱ4

° A

R ¹3 T₁ + 2"AT T₁ +

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Da T₃ = T₁ - ?ΔΤ, läßt sich obige Gleichung wie folgt weiter ändern:

1 ΔΤ

Das Verhältnis zwischen den Werten von Vo und V„ läßt sich daher anhand folgender Gleichung annähernd bestimmen:

^T4 -

T₁ = eine bekannte Zeitspanne, während welcher eine vorbestimmte Anzahl von Taktimpulsen abgegeben wird,

T^ = eine durch Messung bestimmte Zeitspanne, ΔΤ s ein durch Berechnen von ΔΤ = T₂ - T₁ bestimmter

Wert,
A = ein die Annäherung bezeichnender Zusatz.

Aus dieser Annäherung resultierende Fehler lassen sich wie folgt angeben:

Diese Fehler, die einen unendlich kleinen Wert proportional zu (tk— ) besitzen, werfen keine praktischen Probleme auf_o In der ersten Arbeits- bzw» Betriebsstufe des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers wird den Eingangsklemmen 13a, 13b eine

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Bezugsspannung V_R während einer vorgeschriebenen bzw_o vorbestimmten Zeitspanne T^ aufgeprägt« Später werden beide Eingangsklemmen 13a, 13b zur Bestimmung einer Zeitspanne T₂ ^an Masse gelegt, um dabei die erforderliche Größe T für den auto matischen Abgleich zu definieren. Eine bei der tatsächlichen Messung des Pegels der Eingangsspannung Vg angewandte, vorbestimmte Zeitspanne T, wird durch nachfolgende Gleichung bestimmt:

Danach wird während einer Zeitspanne entsprechend der Hälfte der Zeitspanne T, (T-,/2), die auf diese Weise bestimmt worden ist, der ersten Eingangsklemme 13a eine Eingangsspannung Vg und der zweiten Eingangsklemme 13b eine Bezugs spannung Vq aufgeprägte Während der zweiten Hälfte der genannten Zeitspanne T^ wird auf umgekehrte Weise der ersten Eingangsklemme 13a die Bezugsspannung Vp und der zweiten Eingangsklemme 13b die Eingangsspannung Vg aufgeprägte Anschließend werden beide Eingangsklemmen zur Messung der Zeitspanne Tr wiederum mit einer Massespannung 0 gespeist.

Im folgenden ist nunmehr anhand von Figo 3 und 5 die zweite Arbeitsstufe des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers beschrieben, bei welcher sowohl die Eingangsspannung Vg als auch die Bezugs spannung V_R eine positive Polarität besitzen,. Hierbei erfolgt die Arbeitsweise der Bestimmung einer erforderlichen Korrekturgröße für die automatische Einstellung bzw. den automatischen Abgleich der Verlagerungsspannung des Gleichstromverstärkers 11 anhand der Zeitspannen T^ und T₂ in genau der gleichen Weise wie bei der ersten Arbeitsstufe₀ Die beiden Eingangsklemmen 13a» 13b werden mit einer Bezugsspannung V^ beschickt, während sie nach einer Zeitspanne T^ mit einer Massespannung 0 gespeist werden. Sodann wird eine Zeitspanne ermittelt, welche der Wert oder Pegel einer Ausgangsspannung

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Vq vom Gleichstromverstärker 11 benötigt, um den Pegel der Vergleichs-Bezugsspannung Vq zu erreichen,. Dieser Vorgang erfolgt gemäß folgender Gleichung:

T₂ = T₁ + ΔΤ

Danach wird der Eingangsklemme 13a eine Eingangs spannung Vg und der Eingangs klemme 13b eine Massespannung 0 während einer Periode von einem Zeitpunkt t₂ bis zu einem Zeitpunkt t^, d₀h₉ während einer Periode gleich der Hälfte der Zeitspanne T^ (mit 0 = V_s = V_R), aufgeprägt. Infolgedessen steigt der Wert oder Pegel der Ausgangsspannung Vq des Gleichstromverstärkers 11 gemäß Fig. 5 über den Wert der Vergleichs-Bezugsspannung Vq an. Hierbei läßt sich die Zeitspanne T-, wie folgt bestimmen:

Nach der ersten Hälfte der Zeitspanne T, wird die Eingangsklemme 13a mit einer Massespannung 0 und die Eingangsklemme 13b mit einer Eingangsspannung Vg während einer Zeitspanne vom Zeitpunkt t, bis zum Zeitpunkt t^, d_oh_e während der zweiten Hälfte der Zeitspanne T-,, beschickte Sodann werden beide Eingangsklemmen 13a, 13b mit der Bezugsspannung V™ beschickt, wobei die Zeitspanne T^ gemessen wird, welche der Pegel oder Wert der Ausgangsspannung Vq des Gleichstromverstärkers 11 benötigt, um den Wert der Vergleichs-Bezugsspannung Vq zu erreichen. Infolgedessen wird die folgende Gleichung erzielt:

Da hierbei gilt ΔΤ « T₂ - τ| und T^ = T₁ + ^ΔΤ, läßt sich das Verhältnis __S der Pegel oder Werte der Eingangs spannung Vo

^VR
und der Bezugsspannung Vq wie folgt wiedergeben:

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Λ J Z-i-1-

Dies führt zur folgenden Näherungsgleichung:

V (T₁ - I₄) - ^V

-tr / — m ο····οοοο·

^VR A ¹I

Hierbei ist ein Zeitunterschied unendlich klein, wie dies durch die folgende Gleichung angegeben wird:

^L4

O-

Wie aus der vorstehenden Näherungsgleichung hervorgeht, wird das durch_tden vorstehend beschriebenen Vorgang bestimmte Verhältnis ~~y^ nicht von der Korrektur bzw. Berichtigung der Zeitspanne T^, sondern von der Korrektur von (T₁ - T^) abgeleitet,,

In der zweiten Arbeitsstufe wird den beiden Eingangsklemmen 13a, 13b während einer Zeitspanne T₁ eine Bezugsspannung V_R und später während einer Zeitspanne Ϊ£ eine Massespannung aufgeprägt, um die erforderliche Größe des Zeitunterschieds T für den automatischen Abgleich der Verlage rungs spannung bzw. Abweichung des Gleichstromverstärkers 11 zu bestimmen« Die Zeitspanne T,, während welcher die gemessene Eingangsspannung Vg weiter abfällt, wird als T, * T₁ + -^ΔΤ definierte Während der ersten Hälfte der so bestimmten Zeitspanne T^ wird die Klemme

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13a mit der Eingangsspannung V_ß und die Klemme 13b mit der Massespannung O gespeist. Während der zweiten Hälfte dieser Zeitspanne T, wird beiden Eingangsklemmen 13a» 13b die Bezugsspannung V_R aufgeprägt, um die Zeitspanne T^ zu messen.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Fall, in welchem den beiden Eingangsklemmen 13a, 13b während der Periode T₁ eine Bezugsspannung V_R und später während einer Periode I^ ^eine Massespannung 0 aufgeprägt wird, um einen Zeitunterschied ΔΤ zu bestimmen. Die Aufgabe der Erfindung wird jedoch auch dann gelöst, wenn in umgekehrter Weise den beiden Eingangsklemmen 13a, 13b während der Zeitspanne T. die Massespannung V_Q und während der Zeitspanne Ί.^ eine Bezugsspannung V_R aufgeprägt wird.

Der erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandler stellt eine neuartige Form des Doppelsteilheits-Analog-Digital-Wandlers dar, der sich dadurch kennzeichnet, daß er zwei Eingangswiderstände R^, Rp aufweist, welche jeweils den gleichen Nenn-Widerstandswert besitzen. Beim erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler werden die Eingangsspannung Vo und die Bezugsspannung V_R, die jeweils die gleiche Polarität besitzen, während der ersten und zweiten Arbeitsstufe abwechselnd an die beiden Eingangsklemmen 13a, 13b angelegt. In der ersten Stufe wird an die beiden Eingangsklemmen zunächst eine Bezugsspannung V_R und später eine Massespannung angelegt, um die erforderliche Größe des Zeitunterschieds ΔΤ für den automatischen Abgleich der Verlagerung bzw« Abweichung eines im Analog-Digital-Wandler vorgesehenen Gleichstromverstärkers zu bestimmen,. In der zweiten Stufe wird für die Analog-Digital-Umwandlung der Eingangsspannung Vg unter Berücksichtigung des Zeitunterschieds ΔΤ eine Eingangsspannung an die eine der beiden Eingangsklemmen 13a, 13b angelegt. Die ElngangsspAnnung V₃ des Wandlers

wird abwechselnd während der gleichen Zeitspanne entsprechend der Hälfte der Periode T* an die beiden Eingangs-

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klemmen 13a, 13b angelegt.

Die nachstehende Tabelle 1 veranschaulicht zusammenfassend die Art und Weise, auf welche die Eingangsspannung Vg und die Bezugsspannung V^ mit jeweils positiver Polarität abwechselnd in vierfach verschiedener Weise an die Eingangsklemmen 13a» 13b angelegt werden. Die Ziffern I, II, III und IV bezeichnen die vier Kombinationsschemata, nach denen Eingangs- und Bezugsspannung V^ bzw. V_R wechselweise an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegt werden,, Die Bezeichnung "Eingang 1" bedeutet die an die Eingangsklemme 13a angelegte Spannung, während die Bezeichnung "Eingang 2" eine an die Eingangsklemme 13b angelegte Spannung angibt.

Tabelle 1

	Eingang 1	T1	T2	T2/2	T2/2	rp Ls.
I	Eingang 2	Vr	O	Vs	Vr	O
	Eingang 1	Vr	O	Vr	vs	O
		Vr	O	V3	O	Vr
II	Eingang 2
	Eingang 1	Vr	O	O	vs	Vr
III	Eingang 2	O	Vr		O	Vr
	Eingang 1	O	Vr	O	vs	Vr
		O	Vr	V3	Vr	O
IV	Eingang 2
	O	Vr	Vr	vs	O

Die nachstehende Tabelle 2 veranschaulicht zusammenfassend die Werte von ΔΤ, T^ und *_S , die bei den vorstehend beschriebe-

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nen vier Arten der wechselweisen Anlegung der Eingangs- und Bezugsspannung Vo bzw. V^ an die Eingangsklemmen 13a, 13b erhalten werden_o

Tabelle 2

	T2-T1	T3	(VS/VR)A
I	T2-T1	Vf	T4- ^ΔΤ
II	T2-T1	T1+ f	T1
III	T2-T1	v4F	(T1-T4)^AT
IV	Vf	T1
	(T1-T4)+ ^ΔΤ
T1
T4 + ^ΔΤ

Im allgemeinen ist ein Digitalausgang eines Analog-Digital-Wandlers so ausgelegt_s daß der bestimmte Wert- bzw_o Pegelbereich eines Eingangssignals zwischen dem Höchst- und dem Mindestwert einer zweckmäßig bestimmten Zahl von Digitalstufen entspricht. Beispielsweise ist ein binärer Analog-Digital-Wandler so ausgelegt, daß er ein Digitalausgangssignal erzeugt, welches durch 000 _β._β OO für einen Mindestwert einer Eingangs spannung und durch 111 _ββ. 11 für einen Höchstwert dieser Spannung dargestellt wird. Eine Anzahl von zwischen dem Höchst- und dem Mindestwert der Eingangs spannung liegenden Digitalstufen ist mit S = (2^m - 1) bezeichnet, (worin m die Bitzahl eines Digitalausgangssignal vom Analog-Digital-Wandler bedeutet)₀

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, in welcher

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V_R den Höchstwert einer Analogeingangsspannung Vg und 0 ihren Mindestwert bezeichnet und wobei in der ersten Arbeitsstufe eine Periode bzw«, Zeitspanne T,. durch eine gezählte Zahl S von Taktimpulsen bestimmt wird, gibt dann eine Taktimpulszählung von (T^ - ·* ΔT) ein erforderliches korrigiertes Digitalausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers an_o Wenn während der zweiten Betriebsstufe eine Zeitspanne T^ durch eine gezählte Zahl S von Taktimpulsen beim gleichen Pegel- bzw· Wertbereich eines Eingangssignals bestimmt wird, stellt eine gezählte Zahl C(T₁ - T^) - -J Δτ} von Taktimpulsen das gewünschte Digitalausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers dar, wie dies aus Gleichung (1) hervorgeht.

Wenn der Maximum- bzw. Höchstwert einer Eingangs spannung mit ^Jmax ^VR ™^{ά ihr} Mindestwert mit J_min V_R O > J_max> J_min>0) bezeichnet wird, wird eine gewünschte Form eines Digitalausgangssignals vom Analog-Digital-Wandler dadurch erhalten, daß eine Zählung S von Taktimpulsen, multipliziert mit einem Bruchteil

-? SiS _{f von} einer Zählung von Taktimpulsen subtrahiert wird,

max" min

welche ein Digitalausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers mit einer Periode T^. darstellen, welche durch eine Zählung S

der Taktimpulse, multipliziert mit einem Bruchteil ^j f-j ,

angegeben werden,, . ^{max mxn}

Wesentlich ist dabei, daß eine zweckmäßige Zahl von Taktimpulsen einer Zeitspanne T^ über einen bestimmten Pegel- bzw. Wertbereich eines Eingangssignals hinweg zugeordnet und erforderlichenfalls eine zweckmäßige Zählung von Taktimpulsen von einer Taktimpuls zahl subtrahiert wird, die einen Digitalausgang des Analog-Digital-Wandlers darstellt, um vom letzteren das erforderliche Digitalaus gangs signal zu erhalten«,

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Zur Verbesserung der Betriebsgenauigkeit eines Analog-Digital-Wandlers ist eine Verbesserung der Genauigkeit erforderlich, mit welcher die Perioden bzw. Zeitspannen T^ bis T^ gemessen werden. Da die Länge einer solchen Zeitspanne durch Zählen der Zahl von zugeordneten Taktimpulsen bestimmt wird, ist im Hinblick auf die Betriebsgenauigkeit des Analog-Digital-Wandlers ein mindestens eine Zählung betragender Fehler unvermeidbar. Diese Schwierigkeit kann dadurch ausgeräumt werden, daß die genannte, gezählte Zahl von Taktimpulsen bei der Messung der Länge einer Zeitspanne mit einer ganzen Zahl multipliziert (ein bevorzugter Multiplikator ist ein solcher aus einem Vielfachen von 2, z.B. 2, 4, 8 usw.) und die Zählung der/Digitalausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers darstellenden Taktimpulse dividiert wird, wobei die Zählung somit mit der gleichen/ als Multiplikator benutzten ganzen Zahl multipliziert wird ₀

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß zur Erzielung eines korrigierten bzw» berichtigten Digitalausgangssignals verwendeten Steuerschaltung 15« Figo 7 veranschaulicht die Arbeitsweise eines Aufwärts/Abwärts-Zählers 21 gemäß Fig_e6_e In Fig. 6 ist bei 20 eine Schalter-Steuerschaltung dargestellt, welche die Arbeitsweise des Analog- bzw_e Umschalters 14 entsprechend dem Wert einer Ausgangsspannung vom Komparator 12, der Voreinstellung des Zählers 21 sowie der Aufwärts- und Abwärtszählung steuert«. Bei 22 ist ein Schieberegister dargestellt, in dem eine durch den Zähler 21 vorgenommene Zählung gespeichert wird, welches eine vorbestimmte Operation an der gespeicherten Zählung durchführt, die so verarbeitete Zählung zum Zähler 21 zurückführt und einen analog-digital-umgewandelten Wert eines Eingangssignals liefert»

Im folgenden ist anhand von Fig. 7 die Funktion der Steuerschaltung 15 während der ersten Arbeite- bzw» Betriebsstufe beschriebene

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Wenn den beiden Eingangsklemmen 13a, 13b eine Bezugsspannung V_R aufgeprägt wird, wird der Aufwärts/Abwärts-Zähler 21 auf Null voreingestellt, um eine Zahl von Taktimpulsen, die ihm über ein UND-Glied 23 (Fig. 6) geliefert werden, bis zu einer vorbestimmten Zahl N₁ zu zählen. Dieses Intervall ergibt eine Periode bzw_o Zeitspanne T_1o Beim Zählen der Taktimpulse bis zur vorbestimmten Zahl gibt der Zähler 21 ein Signal an die Steuerschaltung 20 ab, wodurch der Umschalter 14 so betätigt wird, daß er an beide Eingangsklemmen 13a, 13b eine Massespannung anlegt«, An diesem Punkt wird der Zähler 21 für das Abwärtszählen umgeschaltet, so daß er von der vorbestimmten Zahl N₁ fortlaufend abwärtslzählt, bis ihm der Komparator 12 eine Ausgangsspannung zuführt. Dieses Intervall stellt eine Periode bzw. Zeitspanne T₂ dar_o Wenn die abwärtsgezählte Zahl mit N₂ bezeichnet wird, kann die im Aufwärts/Abwärts-Zähler 21 gespeicherte Information als N₁ - N₂ = -ΔΝ angegeben werden, wobei -ΔΝ einen Zeitunterschied ΔT darstellte Ein -ΔΝ darstellendes Signal wird zum Schieberegister 22 überführt, in welchem es um ein Bit in Abwärtsrichtung verschoben wird, um sein negatives Vorzeichen für die Rückführung zum Zähler 21 auf positiv umzukehren, d_eh_o um den Zähler 21 auf A^· voreinzustellen. An diesem Punkt werden die Eingangs- und Bezugsspannung Vo bzw. Vd abwechselnd an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegt, und der Zähler 21 zählt weiter, bis die vorbestimmte Zahl N₁ erreicht ist, d.h. er zählt bis hinauf

ΔΝ
N₁ —2~ = N^. Diese Zählung gibt eine Periode bzw» Zeitspanne T-z an_e Wenn der Zähler 21 bis zur vorbestimmten Zahl N₁ hochzählt, werden die an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegten Spannungen vertauscht. Der Zähler wird (dann) auf -4j- voreingestellt, und er setzt seinen ZählVorgang fort, bis der Komparator 12 ihm eine Ausgangsspannung zuführt, d„h₀ bis eine vorbestimmte Zahl N^ erreicht ist_e Dieses Intervall entspricht einer Periode bzw. Zeitspanne T^₀ Die zu diesem Zeitpunkt im Aufwärts/Abwärts-Zähler 21 gespeicherte Information (·Νλ -

wird zum Schieberegister 22 überführt, welches seinerseits

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die gespeicherte Zahl abgibt.

Der Ausgangswert (N^ - ^rv vom Schieberegister 22 bezeichnet einen Wert des Verhältnisses/ S

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Funktion der Schalter-Steuerschaltung 15 während der ersten Arbeitsstufe. Alle in der vorstehenden Tabelle 2 angegebenen Operationsformen können dabei auf die gleiche Weise durchgeführt werden.

Wie vorstehend erwähnt, vermag die beschriebene Ausführungsform der Erfindung die automatische Einstellung bzw. den automatischen Abgleich der Abweichung des Gleichstromverstärkers 11 zu gewährleisten und die Anlegung von Eingangs- und Bezugsspannungen mit der gleichen Polarität zuzulassen, so daß die ratiometrische bzw. größenmäßige Umwandlung ohne weiteres durchführbar ist_e Wenn der Gleichstromverstärker und der Komparator auf diese Weise mit der gleichen Polarität betrieben werden, kann der Analog-Digital-Wandler als Ganzes mit einer einzigen Polarität arbeiten, wodurch der Aufbau einer Stromversorgung erheblich vereinfacht wird. Der erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandler vermag die von der Verlagerung bzw. Abweichung der Integrationsschaltung I insgesamt auftretenden Fehler zu korrigieren, einschließlich der Abweichung einer Eingangsspannung im Gleichstromverstärker sowie der Fehler, die sich aus einer geringfügigen Verschiebung des Werts oder Pegels einer der nicht-invertierenden Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers aufgeprägten Spannung von einem vorbestimmten Pegel oder Wert der Spannung ergeben (d.h₀ einen Pegel zwischen den Werten der Bezugs- und der Mas se spannung).

Außerdem wird bei der beschriebenen Ausführungsform eine Periode bzw₀ Zeitspanne T,, während welcher der Pegel der Eingangsspannung tatsächlich gemessen wird, in zwei gleich große

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-23- 754778S

Teile unterteilte Genauer gesagt/werden die den beiden Eingangswiderständen R^, R₂ aufgeprägten Spannungen während der ersten und der zweiten Hälfte der Periode T-, gegeneinander ausgetauscht. Selbst wenn sich daher die Eingangswiderstände im Laufe der Zeit verschlechtern, oder wenn Änderungen der Umgebungstemperatur auftreten, können die dabei auftretenden Fehler auf Null reduziert werden, wodurch eine genaue Größe der Analog-Digital-Umwandlung gewährleistet wird»

Der Vorgang der wechselweisen Aufprägung von Spannungen an die Eingangswiderstände während der ersten und zweiten Hälfte der Periode T-* bietet den Vorteil, daß die beiden Eingangswiderstände selbst dann, wenn sie nicht genau gleich große Widerstandswerte besitzen, praktisch die gleiche Wirkung gewährleisten können_e Vorbedingung hierfür ist, daß eine während der Zeitspanne T* an. .die Integrations schaltung I angelegte äquivalente Eingangsspannung so gewählt wird, daß ihr Wert oder Pegel dem Mittelwert der Pegel von Eingangs- und Bezugsspannung Vg bzw. V^ an den beiden Eingangsklemmen 13a, 13b gleich ist.

Die vorgenannte Vorbedingung ist im folgenden in Form einer zahlenmäßigen Gleichung erläuterte Wenn die Widerstandswerte dabei an Eingangswiderstände mit R(1+«*) bzw«, R(1-qQ und die erste sowie die zweite Hälfte der Periode T, mit Τ,(ΐ+δ)/2 bzwo T,(1~S)/2 bezeichnet werden, während der Zeitunterschied berücksichtigt wird, läßt sich der Wert einer an die Integrationsschaltung I angelegten äquivalenten Eingangsspannung durch die folgende Gleichung ausdrücken, da den beiden Eingangsklemmen 13a, 13b, wie durch die Kombinationsschemata I, IV angedeutet, gegeneinander austauschbare Spannungen aufgeprägt werden:

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7 547 7 88

Im Fall der Kombinationsschemata II, III, bei denen die beiden Eingangsklemmen 13a, 13b mit Eingangs- und Massespannungen Vg bzw«, 0 gespeist werden, laßt sich der Wert bzw_o Pegel der an die Integrationsschaltung I angelegten äquivalenten Spannung wie folgt ausdrücken:

S 2

Im theoretischen Idealfall beträgt der KoöTfizient, durch welchen die Periode T, in zwei Teile geteilt wird, gleich φ₀ Infolgedessen kann, der Zeitunterschied alsoco ausgedrückt werden«,

Wenn dagegen die verschiedenen Spannungsformen nicht wechselweise bzw. untereinander austauschbar während der ersten und der zweiten Hälfte der Periode T, an die beiden Eingangswiderstände angelegt werden, bleibt der Unterschied zwischen den Widerstandswerten der beiden Eingangswiderstände andererseits bestehen« Dieser Unterschied wird als O^ ausgedrückte

Ein Versuch, eine Kombination der beiden Eingangswiderstände zu schaffen, mit welcher der Widerstandsunterschied otauf Null reduziert werden könnte, würde jedoch zu hohen Kosten führen_e Außerdem wäre es dabei äußerst schwierig, die Bedingung Ot= O unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur und von den zeitabhängigen Verschlechterungen der Eigenschaften der beiden Widerstände zu realisieren«,

Wenn dagegen, wie bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, verschiedene Spannungsformen während der ersten und der zweiten Hälfte der Periode T, wechselweise an die beiden Eingangswiderstände angelegt werden, ergibt sich der Zeitunterschied durch <**o _β Wenn daher die Periode T, in zwei genau gleich große Teile unterteilt wird, ergibt sich O=O

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und OCo= 0, wodurch die vorgenannten Schwierigkeiten ohne weiteres ausgeräumt werden können.

Zu praktischen Zwecken empfiehlt es sich, den Zeitunterschied so festzulegen, daß die erforderliche Arbeitspräzision des Analog-Digital-Wandlers erzielt wird. Bei Anwendung einer gleichen Größe des Zeitunterschieds bietet die Erfindung einen erheblichen Vorteil für die Realisierung dieser Präzision gegenüber dem bisher verwendeten Analog-Digital-Wandler, bei dem Eingangs- und Bezugsspannung nicht abwechselnd an die Eingangswiderstände angelegt werden,. Wenn beispielsweise ein vorgegebener Analog-Digital-Wandler eine Fehlerquote von höchstens 0,01% besitzen darf, muß der Unterschied oc zwischen den Widerstandswerten der beiden Eingangswiderstände in der Größenordnung von 0,0001 liegen, wenn Eingangs- und Bezugsspannung nicht abwechselnd an die Widerstände angelegt werden. Werden dagegen Eingangs- und Bezugsspannung den beiden Eingangswiderständen abwechselnd zugeführt, so braucht ©co nur einen Wert von z.B. 0,0001 zu besitzen. Dies läßt sich ohne weiteres durch eine Kombination von oC= 0,01 und S= 0,01 realisieren,,

Wie aus der obigen Tabelle 2 hervorgeht, enthalten alle Werte in den Spalten T^ und , S\ den Ausdruck -5- _o Wenn ΔT eine un-

^{3 1}Va

gerade Zahl darstellt, erscheint eine Funktion von 0,5 in Form von =W- _o Dieser Bruch sollte weggelassen oder als ein Ganzes betrachtet werden.

Wenn daher, wie bei den Kombinationsschemata I, IV die in den eben genannten Spalten erscheinenden Werte den auf die

ΔΤ gleiche Bedeutung festgelegten Korrekturausdruck =*■ enthalten, sollte der eine der Werte dieser beiden Korrekturausdrücke =77 weggelassen und der andere als Einheit bzw. ganze Zahl betrachtet werden_e Dabei kann dann die Fehlerrate des

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_ ₂₆ „ 2547783

Analog-Digital-Wandlers verringert werden. Wenn dagegen, wie, bei den Kombinationsschemata II, III, die in den genannten

Αφ

Spalten auftretenden Werte Korrekturausdrücke -Hr mit unterschiedlichen Vorzeichen enthalten, sollte der Wert jedes Korrekturausdrucks =*r vorzugsweise vernachlässigt oder als Einheit betrachtet werden, um die Fehlerrate des Analog-Digital-Wandlers zu verringern.

Wie erwähnt, werden Eingangsspannung, Bezugsspannung und Massespannung über die Umschalteranordnung 14 an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegte Im allgemeinen wird ein Umschalter 14 elektronischer Bauart angewandt«, Die Ansprechzeit des Umschalters 14 ist zwar extrem kurz, beträgt aber nicht NuIl₀ Außerdem liefern mehrere, den Umschalter 14 bildende Schaltereinheiten unterschiedliche Ansprechzeiten. Infolgedessen tritt möglicherweise ein Zeitunterschied auf, während die Spannungen wechselweise während der Periode T-* an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegt werden,, Zur Vermeidung dieses Zeitunterschieds empfiehlt es sich, die wechselweise bzw. abwechselnde Anlegung der Spannungen an die Eingangsklemmen 13a, 13b auch während der Zeitspanne T^ durchzuführen. Normalerweise werden die beiden Eingangsklemmen 13a» 13b während der Zeitspanne T₁ mit der Bezugsspannung Vrj oder einer Massespannung 0 beschickt. Wenn die wechselweise Spannungszufuhr zusätzlich während der Zeitspanne , T^ auf die gleiche Weise durchgeführt wird wie während der Zeitspanne T,, um mit Absicht einen von dieser abwechselnden Spannungszufuhr herrührenden Zeitunterschied einzuführen, kann die durch die wechselweise Spannungsanlegung hervorgerufene Zeitdifferenz aufgehoben werden.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Eingangsklemmen 13a, 13b mit drei Spannungsformen gespeist, nämlich einer Eingangsspannung, einer Bezugsspannung und einer Massespannungo Die Massespannung braucht jedoch nicht als solche benutzt zu werden, weil sie als eine Art Bezugsspannung

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betrachtet werden kann. Mit anderen Worten: Es kann angenommen werden, daß die Eingangsklemmen 13a, 13b des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers mit einer zu messenden Analοgeingangsspannung und zwei Bezugsspannungen gespeist werden, welche die gleiche Polarität wie die Analogeingangsspannung, jedoch voneinander verschiedene Pegel bzw. Werte besitzen«. Die der nicht invertierenden Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers 11 aufgeprägte Spannung wird mit einem Wert oder Pegel praktisch in der Mitte zwischen demjenigen der beiden Bezugsspannungen, d.h. mit einem Wert von ^(VR<j + VR₂) 9 gewählt.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Fall, in welchem die erste und die zweite Bezugsspannung jeweils eine positive Polarität besitzen (bzw_e eine der Bezugsspannungen einen Wert Null besitzt), doch gilt sie auch für den Fall, in welchem die beiden Bezugsspannungen eine negative Polarität besitzen (bzw₀ eine der Bezugsspannungen einen Wert Null besitzt) . Im zuletzt genannten Fall wird der nicht-invertierenden Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers 11 eine negative Spannung aufgeprägt.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird ein einziger reversibler Zähler 21 für die Voreinstellung und

Messung der Länge eines Zeitintervall, während welchem Taktimpulse gezählt werden. Es können jedoch auch mehrere Zähler vorgesehen sein, um die Perioden bzw_o Zeitspannen T,., T₂, T,/2, T^ getrennt zu messen_o Ebenso ist es möglich, die Perioden T., T₂ mit einem und die Perioden T,/2, T^ mit einem anderen Zähler zu messen« Die Anzahl der Zähler kann somit zweckmäßig gewählt werden_e

Das vorstehend beschriebene Verfahren besteht in einer Ausschaltung der Verlagerungs- bzw«, Abweichspannung des Gleichstromverstärkers 11 in einem einzigen Korrekturzyklus auf der Grundlage eines Werts einer Nähe rungs gleichung, bei welcher die

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Periode T^ auf einen festen Wert eingestellt ist. Falls jedoch eine korrigierte integrierte Periode T^ als die folgende, zu messende Periode T^ benutzt wird, kann die für die zu integrierende Eingangsspannung Vg erforderliche Periode bzw₀ Zeitspanne bei der tatsächlichen Messung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Beim erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler wird außerdem die Periode T-* in praktisch gleich große Teile unterteilt, wobei die Eingangs- und Bezugsspannung Vg, V_R während der ersten bzw₀ zweiten Hälfte der Periode T-, abwechselnd an die beiden Eingangswiderstände R^, R₂ angelegt werden, wodurch die von dem Unterschied in den Widerstandswerten der beiden Eingangswiderstände R₁, R₂ resultierende Wirkung ausgeschaltet wirdo Bei Wiederholung der vorstehend erwähnten Korrekturoperation werden durch die Verlagerungs- bzw. Abweichspannung des Gleichstromverstärkers 11 verursachte Fehler des Analog-Digital-Wandlers allmählich reduziert, so daß eine genauere Messung des Werts bzw. Pegels einer Eingangsspannung Vg und folglich ein genauerer Wert der Analog-Digital-Umwandlung erreicht wird«,

Im folgenden ist das Grundprinzip des vorstehend erwähnten Korrekturverfahrens erläutert. Wenn die Perioden T,., T₂ für die als T^ⁿ', T₂^ⁿ' bezeichnete Zeit der η-ten Größe und die tatsächlich gemessenen Perioden T,, T₄ auf ähnliche Weise für die Zeit n-ter Größe als Ty¹¹', T₁^*¹' korrigiert sind, ergibt sich folgende Gleichung:

φ (n) _ m (n+1)

3 ~ 1

Bei Anwendung obiger Gleichung (1) auf diesen Fall erhält man die folgende Gleichung:

= (V_R + 2^)T₄

(n)

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_ 29 - 25477R5

Wird der Ausdruck 2AV durch AV ersetzt, erhält man folgende Gleichung:

V-^¹V tW v_r

Unter Zugrundelegung der Gleichung

1 -	AV VR	(ι	1 1R	V
		%		bleich
erhält man	von C	T3(n)
VR	= 1 -	TR
Da außerdem
AV
vr"

ο··β·ο·ο·

erhalten werden kann, wird die Gleichung

la - ^ 3 " R R T_R

festgelegte

Der Ausdruck T_R in der obigen Gleichung (4) bezeichnet die Länge einer Zeitspanne entsprechend der Bezugsspannung V^, d.h_e die Länge einer Zeitspanne, welche den Analog-Digital -■Umwandlungswert der Bezugsspannung V_R angibt«, Durch Zählen von

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T^/¹¹' + T-* ' - T_R entsprechend der Eingangs spannung V_R wird eine analog-digital -umgewandelte Aus gangs spannung der Eingangsspannung V-, geliefert. Wenn daher T₁ ' korrigiert wird, um T^ⁿ' so festzulegen, daß obiger Gleichung (3) genügt wird, wird das vorgesehene Ergebnis erzielt.

Gleichung (3) ist in Form eines tatsächlich gemessenen Werts ausgedrückt. Wenn Gleichung (3) unter Annahme von Vg = V„ auf eine Korrekturperiode angewandt wird, ergibt sich folgende Gleichung:

rp (n)

¹ " ⁽¹ " V T^ v_R·

Infolgedessen gilt:

m (n) rn (n)

AV ⁱ2 " ¹I ^VR T₁ ^ + T₂

Zur Aufstellung obiger Gleichung (4) braucht daher nur der folgenden Gleichung genügt zu werden:

+ T₂ ^ln>

^Τ1 ^{+ 1}2 (5)

Da in obiger Gleichung (4) der Ausdruck ~ <<1 allgemein zu-

lässig ist, läßt sich die primäre Näherungsgleichung wie folgt ausdrücken:

_T (n)

_T Cn) _T U) ⁼ T₁ + T₂

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Infolgedessen stellt die folgende Gleichung

(τι ) _ t ύλ Ji/ (η J ι η ι \ / .** ν

eine zweckmäßige Näherungskorrekturgleichung für die Aufstellung obiger Gleichung (4) dar. Wie aus den Gleichungen (5) und (6) hervorgeht, werden durch AV verursachte Fehler im Fall von 2T_R· = T₁^¹¹' + T₂^ zu Null reduziert, so daß sich

T₃(ⁿ) = T₁(ⁿ) ergibt.

Im folgenden ist nunmehr die Art und Weise beschrieben, auf welche die Fehler des Analog-Digital-Wandlers fortlaufend aufgehoben werden können, wenn die Zahl η der einander wiederholenden Korrekturschritte zunimmt.

Die durch tatsächliche Messung erhaltenen Werte sind T^ⁿ' und T^ ⁿ'. Ein Unterschied zwischen diesen Meßwerten und einem

echten Wert von ττ- läßt sich durch folgende Gleichung aus-

R
drücken:

4 ⁺ 3 "R S

*™ TT «O.O.OO...

T_R R

Durch Ersatz obiger Gleichung (6) und folgender Gleichung:

T/ ^ ' V 4

V_R - AV ' _T\n) ⁼ V_R

kann dann obige Gleichung (7) wie folgt modifiziert werden:

(n) V ⁷R ^{+ V}S ^{Vr (n) V}Fehler " V^ ' V_R - AV ' ⁽¹ " V_R -

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Daher gilt:

V_n + Vc V,

_v (n+1) Δ2 ^VR * ^VS ,, R ^A1

Fehler ~ ^VR ^VR " ^{AV V}R -** *r

φ (n+1) _ m (n) _ m (n) 1 /pm _ _Φ (η) _φ (π)λ I₁ - I₃ - I₁ +^ ^i_R -L₁ - I₂ ->

Hieraus folgt folgende Gleichung:

ν (n+1) _ AV ^VR ^{+ V}S , AV , ^YR ^vFehler V_R V_R - AV V_R - AV ^u V_R. - AV

_T (n)
^TR

(n)

V_R - AV -Fehler

Da der Ausdruck!τ? ^~7äf\ "^^-"¹ allgemein zulässig ist, ergibt

v_R - AV

sich folgende Beziehung:

V (n)
^vFehler t ^„
" C5T7'

" C5+T7

Fehler

Es ist somit ersichtlich, daß die Fehlerrate des Analog-Digital-Wandlers linear abnimmt, d,h· daß die Fehler fortlaufend verringert und schließlich auf einen Nullpunkt vermindert werden, wenn sich die Zahl η der wiederholten Korrekturschritte vergrößert«,

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß durch wiederholte Korrekturschritte die Genauigkeit des Werts der

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Analog-Digital-Umwandlung erhöht wird_o Gleichung (6) zeigt, daß dann, wenn der Gleichung 2T_R = Τ,Λ^η' + T₂ genügt wird, eine Korrektur der Periode T-, unnötig ist₀ Es ist daher ratsam, einen Unterschied zwischen T^ + T₂ und 2Tq festzustellen und die Korrektur so durchzuführen, daß sich dieser Unterschied dem Wert Null annäherte Das vorstehend erläuterte Verfahren der Bestimmung der Zeitspanne T, als T^ - ^ ΔΤ anhand eines sich aus AV ergebenden Zeitunterschieds ΔΤ wird allgemein akzeptierte Die Periode T, kann aber auch dadurch bestimmt werden, daß (T^ + T₂) - 2T_R gemessen und T^ durch Hochzählen um einen Taktimpuls, falls der Ausdruck (T₁ + T₂) - 2T_R einen negativen Wert besitzt, erhöht wird, bzw. dann, wenn dieser Ausdruck einen positiven Wert besitzt, durch Abwärtszählen um einen Taktimpuls verringert wird.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Analog-Digital-Wandler gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die Bezugsspannung Vq/2, die von den beiden Widerständen R,, R^ mit praktisch jeweils gleich großem Widerstandswert geliefert werden, an die nicht-invertierende Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers 11 bzw. an die Bezugsspannungs-Eingangsklemme des Analogkomparators 12 angelegt. Bei Eingang eines Ausgangssignals vom Analogkomparator 12 steuert die Schalter-Steuerschaltung 15 das Umschalten der Analogumschalteranordnung I4_e

Im folgenden ist anhand von Fig. 9 Aufbau und Arbeitsweise einer bei der Ausführungsform gemäß Fig₀ 8 verwendeten Schalter-Steuerschaltung 15 beschrieben. Zunächst werden durch ein anfängliches Freisignal Zähler 31, 32, 33 und ein Sperrglied (latch) 42 freigemacht. An diesem Punkt wird der Zähler 33 in einen Nullzustand gebracht, und ein UND-Glied 131 wird durch ein ODER-Glied 120 geöffnet bzw» durchgeschaltet, so daß in den Zähler 31 für dessen Abwärtszählung ein Abwärtstaktsignal eingeleitet wird. Ein Schalter S1 wird durch ein ODER-Glied

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122 geschlossen bzw. durchgeschaltet, um eine Bezugsspannung V_R an die Eingangsklemmen von Widerständen R,., R₂ anzulegen_e Dies stellt den Zustand gemäß Spalte T^ des Kombinationsschemas I gemäß obiger Tabelle 1 dar₀ Aufgrund des vorgenannten Nullzustands des Zähler 33 wird ein UND-Glied 113 geöffnet, so daß der Zähler 32 für sein Aufwärts zählen mit einem Aufwärtstaktsignal beschickt wird.

Wenn die im Zähler 31 gespeicherte Information einem -T„,-Element zugeleitet wird, welches eine Zeitspannen länge entsprechend dem Analog-Digital-Umwandlungswert einer Bezugs spannung V_R angibt, wird ein Ausgangssignal von einem Dekoder 105 über ein UND-Glied 114 sowie ein ODER-Glied 119 zum Zähler 33 geleitet, der seinerseits um einen Taktimpuls aufwärtaeählt und in einen Zustand 1 gebracht wird. Infolgedessen werden Schalter S3, S6 durch ein ODER-Glied 123 geschlossen, und den Widerständen R.., R₂ wird eine Spannung von 0 V aufgeprägt, so daß der Zustand gemäß Spalte T₂ des KombinationsSchemas I von Tabelle 1 hervorgebracht wird,, Sodann wird das UND-Glied 112 durch das PDER-Glied 121 geöffnet, um einen Abwärtszählbefehl an den Aufwärts/Abwärts-Zähler 32 zu liefern, welcher daraufhin die Taktimpulse abwärtszählt. Wenn die Integrationsschaltung I ein Ausgangssignal mit ansteigendem Spannungspegel erzeugt, während der Analogkomparator 12 ein Aus gangs signal mit einem logischen Wert von "1" erzeugt, gibt das UND-Glied 115 ebenfalls ein Aus gangs signal mit dem Wert einer logischen "1" ab. Dieses Ausgangssignal wird über ein ODER-Glied 119 zum Aufwärts/Abwärts-Zähler 33 geleitet, der seinerseits um einen Taktimpuls hochzählte Infolgedessen entspricht eine im Zähler 33 enthaltene Zählung der Zahl 2₀ Ein Ausgangssignal vom UND-Glied 115 wird als Stellimpuls dem Sperrglied 42 zugeführt, wobei der Stellimpuls seinerseits mit den Daten des Aufwärts/Abwärts-Zählers 32, d_eh„ als Wert (T₁ - T₂), gespeichert wird. Das Ausgangssignal vom UND-Glied 115 wird durch eine Verzögerungsleitung 125 verzögert, und das verzögerte Ausgangssignal wird

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als Stellimpuis zum Aufwärts/Äbwärts-Zähler 31 geleitete Die Länge der durch die Verzögerungsleitung 125 gewährleisteten Verzögerung ist so gewählt, daß sie für das Stellen "bzw. Setzen des Sperrglieds 42 ausreicht. Das Ausgangssignal vom Sperrglied 42 wird auf nicht dargestellte Weise in der um ein Bit nach unten verschobenen Form an die Dateneingangsklemme des Zählers 31 angelegt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Zähler 31 auf einen Wert (T₁ - T₂)/2 voreingesteilt₀ Das Ausgangssignal von der Verzögerungsleitung 126 wird als Stellimpuls an den Zähler 32 angelegt. Ein Ausgangssignal des Sperrglieds 42 wird der Dateneingangsklemme des Zählers 32 in einer um zwei Bits abwärts verschobenen Form zugeführt. Der Zähler

32 ist daher auf einen Wert von (T,. - T₂)/4 voreingestellt.

Ein die Ziffer 2 darstellendes Ausgangssignal vom Dekoder 108 betätigt den Schalter S2 sowie den Schalter S4 über ein ODER-Glied 124«, Infolgedessen wird fortlaufend ein Eingangssignal an die Inte grations schaltung I in der kombinierten Form gemäß der ersten Spalte T,/2 des Schemas I von Tabelle 1 angelegte Ein die Zahl 2 darstellendes Ausgangssignal vom Dekoder 108 «•langt außerdem über ein ODER-Glied 130 zum UND-Glied 131, um dem Zähler 31 einen Abwärts taktimpuls zuzuführen. Wenn zudem das 2-Aus gangs signal vom Dekoder 108 über ein ODER-Glied 121 an das UND-Glied 112 angelegt wird, wird der Aufwärts/Abwärts-Zähler 32 ebenfalls mit einem Abwärtstaktimpuls beschickt.

Wenn eine im Speicher 32 gespeicherte Zählung den Wert -T_R/2 erreicht hat, liefert ein Dekoder 106 ein Ausgangssignal, das über ein UND-Glied 116 sowie ein ODER-Glied 119 an den Zähler

33 geliefert wird, der seinerseits um einen Taktimpuls hochzählt. Die zu diesem Zeitpunkt im Zähler 33 gespeicherte Zählung entspricht da-her der Zahl 3· Die Länge der Zeitspanne T, die bis zu dem Punkt verstreicht, an welchem die Zahl 3 angezeigt wird, nachdem der Integrationsschaltung I Spannungen in der augenblicklich kombinierten Form zugeführt wurden, läßt sich wie folgt ausdrücken:

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T₁ - T₂ -T

Hieraus ergibt sich folgende Gleichung:

_Λ T₁- To T

T = 4· (T„ +

Ein der Zahl 3 entsprechendes Ausgangssignal des Dekoders wird über ein ODER-Glied 122 zum Schalter S1 zu dessen Betätigung geleitet, wodurch dem Widerstand R^ eine Bezugsspannung V_R aufgeprägt wirdo Dieses Ausgangssignal wird außerdem zum Schalter S5 zu dessen Betätigung geleitet, um an den Widerstand R2 eine Eingangsspannung V^ anzulegen. Hierbei ergibt sich die Bedingung des zweiten Ausdrucks T,/2 des KombinationsSchemas I gemäß Tabelle 1_e Da das ODER-Glied 130 unter diesen Bedingungen ein Ausgangssignal mit dem Wert einer logischen "1" erzeugt, setzt der Zähler 31 sein Abwärtszählen fort, bis eine durch -Tp^ angegebene Zeitlänge erreicht ist_e Eine zwischen dem Anfangspunkt der Periode T, und dem Zeitpunkt, an welchem -T_R erreicht wird, liegende Zeitspannenlänge T läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

T₁ - T₂

ι i

2 ι - -i_R

Hieraus erhält man folgende Gleichung:

T₁-T₂
V¹

^TR

Ein Aus gangs signal von einem Dekoder 105 durchläuft ein UND-Glied 117 sowie ein ODER-Glied 119 zum Aufwärts/Abwärts-Zähler 331 der dabei um einen Taktimpuls hochzählt, um seine gespeicherte Zählung auf die Ziffer 4 zu bringen. Ein die Ziffer 4 angebendes Ausgangssignal vom Zähler 33 wird über ein

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ODER-Glied 123 den Schaltern 3 und 6 zu deren Betätigung zugeführt, wodurch die Integrationsschaltung I mit einem Eingangssignal von 0 Volt beschickt wird, d.h. die Bedingung gemäß Ausdruck Τλ des KombinationsSchemas I von Tabelle 1 erfüllt wird«, Ein Aus gangs signal des UND-Glied 117 wird über das ODER-Glied 111 als Stellimpuls zum Zähler 31 geleitet, so daß dieser auf die im Sperrglied 42 gespeicherte Zählung eingestellt bzw«, festgelegt wird₀ Das der Ziffer 4 entsprechende Ausgangssignal des Zählers 31 wird über ein UND-Glied 120 zum UND-Glied 109 geleitet, um dessen Gatter zu öffnen, wodurch ein Aufwärtszählbefehl zum Zähler 31 geleitet wird, der darauf hin aufwärtszuzählen beginnt_o Wenn der Analogkomparator 12 ein Ausgangssignal mit dem Wert einer logischen "1" erzeugt, liefert das UND-Glied 118 ebenfalls ein Ausgangssignal mit dem Wert einer logischen "1", so daß die Zähler 33 und 32 rückgestellt werden und das Sperrglied 41 ebenfalls auf die im Zähler 31 gespeicherte Zählung eingestellt wird. Die Zählung A, auf welche der Aufwärts/Abwärts-Zähler 31 zu diesem Zeitpunkt eingestellt wird, entspricht folgender Gleichung:

T₁ - T₂

Hierdurch wird der vorstehend beschriebene Arbeitszyklus der Analog-Digital-Umwandlung abgeschlossen.

Ein Ausgangssignal des UND-Glieds 118 wird durch eine Verzögerungsleitung 126 verzögert, Dieses verzögerte Ausgangssignal wird als Stellimpuls dem Aufwärts/Abwärts-Zähler 31 zugeleitet, der seinerseits auf einen Wert entsprechend der Hälfte der im Sperrglied 42 gespeicherten Zählung, nämlich auf (T,. - Tp)/2, eingestellt ist₀ Da zu diesem Zeitpunkt eine im Zähler 33 gespeicherte Zählung auf Null gestellt wird, kann der vorstehend beschriebene Arbeitszyklus fortschreitend wieder eingeleitet werden. In diesem Fall wird die Arbeitsreihenfolge

609819/0

der Perioden bzw. Zeitspannen T^ bis T^ erneut wiederholte

Die im Sperrglied 42 gespeicherte Zählung nähert sich jedoch bei jedesmaliger Wiederholung des vorstehend beschriebenen Meßvorgangs, wie erwähnt, dem Wert

I₁ + I₂ - <i±_R

an. Ersichtlicherweise kann das Verfahren der Messung nur der Perioden T₁, T₂ und der Durchführung der Analog-Digital-Umwandlung der Perioden T·,, T^, nur bei Eingang eines von außen kommenden Umwandlungsbefehls einfach durch Steuerung des Hochzählens und Rückstellen des Zählers 33 auf etwas modifizierte Weise durchgeführt werden.

Das bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 3* 4 und 5 insgesamt angewandte Verfahren zum Kompensieren eines Unterschieds zwischen den Widerstandswerten der beiden Integrationswiderstände R₁, R_g besteht darin, die Periode T^. in zwei praktisch gleiche Teile zu unterteilen, nämlich in eine erste und eine zweite Halbperiode T-,, und während der beiden Halbperioden T abwechselnd bzw. wechselweise eine Analog-Eingangsspannung V_a und eine Bezugsspannung V_n an die beiden Widerstände

Q Xl

R₁, R₂ anzulegen. Dieses Kompensieren kann jedoch auch nach dem folgenden, abgewandelten Verfahren vorgenommen werden, das im folgenden anhand der Fig. 3, 1o, 11, 12, I3, 14 und 15' beschrieben ist.

Mit diesem modifizierten Kompensierverfahren wird selbst bei Verwendung eines einzigen Eingangswiderstands eine ratiometrische (ratiometric) Umwandlung erreicht. Genauer gesagt sind gemäß Fig. 14 die beiden Eingangswiderstände R₁, R₂ von Fig. 3 durch einen einzigen Widerstand R ersetzt. Hierbei werden die Spannungen wechselweise in den vier Kombinationsschemata nach folgender Tabelle 3 an die Eingangsklemme I3 angelegt.

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Tabelle 3

	h	T2	V2	T3/2	T4<
I	Vr	O	Vr	V3	O
II	Vr	O	O	vs	. Vr
III	O	Vr	O	vö	Vr
IV	O	vR	V	V3	O

Die erforderliche Korrekturgröße für den automatischen Abgleich oder Ausgleich der Verlagerungs- bzw. Abweichspannung des Gleichstromyerstärkers 11 wird dadurch bestimmt, daß der Eingangsklemme 13 zunächst eine Bezugsspannung V™ und dann eine Massespannung 0 für die Messung von T₂ zugeführt wird·

Die Periode bzw. Zeitspanne T^ wird zur Bestimmung der Periode T, durch die erforderliche Korrekturgröße ergänzte Der Eingangsklemme 13 wird während der ersten Halbperiode T, die Bezugsspannung Vq und dann während der zweiten Halbperiode T^ eine Eingangsspannung Vg aufgeprägt. Danach wird an die Eingangsklemme 13 zur Messung der Periode T^ eine Massespannung angelegt«, Die Schalter-Steuerschaltung 15 gemäß Fig. 14, die. praktisch denselben Aufbau besitzt wie diejenige gemäß Fig. 3_f kann ohne weiteres einfach dadurch betrieben werden, daß eine unterschiedliche Kombination von Ausgangssignalen des Dekoders 108 zur Umschalteranordnung 14 geliefert wird. Der Analog-Digital-Wandler gemäß Fig. 14 weist einen einzigen Eingangswiderstand R"auf, so daß die Notwendigkeit für die Berücksichtigung eines Unterschieds zwischen den Widerstandswerten

der beiden Eingangswiderstände

R₂, wie im Fall von Fig. 3»

entfällt«, Hierbei ist es jedoch unabdingbar, die Zeitspanne

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'■■■■ ^:- - 4o - - 254778a

in zwei genau gleich große Teile zu unterteilen». - " -^; ■--'-

Wenn die für den Analogkomparätor 12 gemäß Figv 3 zur Liefen rung eines Ausgangssignals erforderliche Zeitspanne T^ voll^? gemessen worden ist, wird der Umschalter 14 uege schal te t* um^: die Eingangsklemme 13a mit der Bez ugsspannung V« und die Eingangsklemme 13t) mit der Eingangs spannung Vg während einer Periode T*' gemäß Fig. 10 zu speisen, die sich von einem Zeitpunkt t^ bis zu einem Zeitpunkt te erstreckte Wie im vorher beschriebenen Fall wird die Periode T^« mit T₁ - JptfT bestimmt

Nach Ablauf der Zeitspanne T,⁸ wird an die Eingangsklemmen 13a, 13b anstelle einer Eingangsspannung Vg eine Massespannung 0 zur Messung einer Periode bzw₀ Zeitspanne T^¹ angelegt, die von einem Zeitpunkt t,- bis zu einem Zeitpunkt tg reicht und welche erforderlich ist, damit der Pegel bzw«, Wert der resultierenden" Spannung den Pegel einer Vergleichs-Bezugspannung γ erreichen kann» ,

Das festgestellte, zwischen den Perioden T, und T^ bestehende Verhältnis gilt in gleicher Weise auch für die Perioden T,¹, Τλ¹. Die Näherungsgleichung, welche das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren der Messung der Perioden T,¹, T^¹ ermittelte Verhältnis zwischen den Werten der Eingangs spannung Vq und der Bezugsspannung Vq angibt, wird wie fo3gjb ausgedrückt:

V α

Wenn ein Mittelwert zwischen einem Wert der Analog-DigitaT-Umwändiung,^^ "der beispielsweise durch Zufuhr einer Eingangsspannung Vg an die Eingangsklemme 13a und einer Bezugs spannung Vd an die Eingangs klemme 13b erhalten wurde, und einem anderen, durch Umkehrung der vorgenannten Spannungsanlegung erhaltenen

6098 19/086 7

-41- 254778S

Wert der Analog-Digital-Umwandlung ermittelt wird, können die sich aus einer zeitabhängigen Leistungsabnahme der Eingangswiderstände sowie aus Schwankungen der Umgebungstemperatur ergebenden Fehler des Analog-Digital-Wandlers voll korrigiert werden«

Wie erwähnt, wird den beiden Eingangsklemmen 13a, 13b beim ersten Arbeitsschritt während einer vorbestimmten Zeitspanne T^ eine Bezugsspannung Vp aufgeprägte Danach wird die Länge einer Periode bzwo Zeitspanne Tp dadurch gemessen, daß die beiden Eingangsklemmen 13a, 13b an Masse gelegt werden, wodurch die erforderliche Größe eines Zeitunterschieds ΔΤ für die automatische Einstellung bzw» den automatischen Abgleich der Verlagerungs« bzw» Abweichspannung des Gleichstromverstärkers 11 ermittelt und dabei eine vorbestimmte Zeitspanne bzw,, Periode T,₍die bei der tatsächlichen Messung des Pegels der Eingangsspannung V^ benutzt wird, mit T^ - ^ ΔΤ bestimmt wirdo Den Eingangsklemmen 13a, 13b wird dabei die Eingangsspannung Va und die Bezugsspannung V_R während der so ermittelten Zeitspanne T, aufgeprägte Danach wird zur Messung der Periode T/ eine Massespannung 0 an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegt. Hierauf werden die an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegte Eingangsspannung V^ und die Bezugsspannung V_R zur Messung einer Zeitspanne bzw«, Periode T^^! gegeneinander ausgetauscht«, Ein Digitalwert der Eingangs spannung V^ wird anhand eines Durchschnittswerts zwischen den Meßwerten der Längen der Perioden T^, Τλ¹ ermittelte

Nachstehend ist anhand von Fig_e 11 der zweite Arbeitsgang erläutert, bei dem sowohl die Eingangsspannung V_s als auch die Bezugsspannung V_R eine positive Polarität besitzen,, Hierbei wird der gleiche Vorgang wie bei der ersten Operation zur Bestimmung einer erforderlichen Korrekturgröße für den automatischen Abgleich der Verlagerungs- bzw« Abweichspannung des Gleichstromverstärkers durch Messung der Perioden T^, T₂

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-42- 2547788

gewandt«, Genauer gesagt, wird den Eingangs klemmen 13a, 13b eine Bezugsspannung V_R und nach einer Periode. T₁ eine Massespannung 0 aufgeprägt, um die Länge der Zeitspanne T₂ zu messen, welche der resultierende Spannungspegel benötigt, um den Pegel bzw«, Wert einer Vergleichs-Bezugsspannung V_c zu erreichen. Die Periode T₂ wird als T₁ + ΔΤ festgelegt«,

Danach wird die Eingangs klemme 13a mit einer Eingangsspannung Vq und die Eingangsklemme 13b mit einer Massespannung O während einer Periode T-, beschickt (vorausgesetzt, daß gilt O = V., = V_R) β Infolgedessen steigt der Pegel bzw, Wert der Ausgangsspannung Vq des Gleichstromverstärkers 11 gemäß Figo 11 über den Pegel einer Vergleichs-Bezugsspannung Vq an_o Zu diesem Zeitpunkt läßt sich eine Periode T, wie folgt bestimmen:

^T3 ^{= T}1 ⁺ 2"^ΔΤ

Nach Ablauf der Zeitspanne T, werden die Eingangs klemmen 13a, 13b mit der Bezugsspannung V_R beschickt, um die Zeitspanne T^ zu messen, die erforderlich ist, damit der Pegel oder Wert einer Ausgangsspannung vom Gleichstromverstärker 11 den Wert der Vergleichs-Bezugsspannung Vq erreichen kann«»

Hieraus ergibt sich folgende Gleichung:

• ^VS - <* ^VR ⁺ ^)J T₃ + {V_R - C₂- V_{R +} AV)) T₄ = O₀

Da jedoch gilt ΔΤ = T_P - T. und T, = T_-1 + ~ΔΤ, läßt sich das

S
Verhältnis V_Q durch ?τ^ der Werte der Eingangs spannung V_q und

ώ V_R Ö

der Bezugsspannung V_R ausdrücken als:

	-T4	ι α. ΔΤ 1 + 2T^	1	+ 1 -	1
V3	111 "*	1 +	1 + Tjrjr-		1 + §-
VR-	AT_ 2T1

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Hieraus ergibt sich folgende Nahertnigsgl^eiehiing;

Ein hierbei auftretender Fehler der Analog-Digital-Umwandlung ist außerordentlich klein, -wi,e sich dies durch folgende Gleichung belegen läßtί .-.. ,·■■,-...

V V .ψ- .

■ 1 y

Wie aus der obigen Näherungsgleichung ersichtlich ist, bezeichnet das beim vorstehend beschriebenen Vorgang erzielte Verhältnis S nicht das Ergebnis der Korrektur der Periode T_A,

sondern das Ergebnis der Korrektur eines Werts, von (T^ - T^) _β

Wenn die Periode T^- voll gemessen (worden) ist, wird die Umschalteranordnung 14 umgeschaltet, um während einer Periode T,¹ an die Eingangs klemme 1Ja eine Massespannung 0 und an die Eingangsklemme 13b eine Eingangsspannung Vo anzulegen. Hierbei ist die Periode T-,¹ als T₁ + ^ä£ festgelegt«. Nach Ablauf der Periode T-z¹ wird, an die Eingangsklemmen 13a» 13^ eine Bezugsspannung V_R zur Messung einer Periode T^* angelegt, die erforderlich ist, damit der Wert oder Pegel der Ausgangsspannung Vq des Gleichstromverstärkers 11 den Pegel der Vergleichs-Bezugsspannung V^ eireichen kann«

Ein Digitalwert des Werts oder Pegels der Eingangsspannung Vg wird anhand eines Mittelwerts zwischen den-Meßwerten der Längen der Perioden T^,. T^* ermittelt,, ,;..,_,

6 09 819/0867

Die zweite Operation bzw«, der zweite Arbeitsvorgang besteht darin, daß an die beiden Eingangsklemmen 13a, 13b während einer Periode T,. eine Bezugs spannung V_R angelegt wird, daß den Eingangsklemmen 13a, 13b während einer Periode T₂ eine Massespannung 0 zur Bestimmung einer erforderlichen Größe des Zeitunterschieds ΔΤ für die automatische Einstellung bzw,, den automatischen Abgleich der Verlagerungs- bzw_e Abweichspannung des Gleichstromverstärkers 11 aufgeprägt wird, daß eine bei der tatsächlichen Messung des Werts bzw₀ Pegels der Eingangs-

1 spannung V^ angewandte, vorbestimmte Zeitspanne T, mit T₁ + ^ bestimmt wird, daß während der so bestimmten Periode T, die Eingangs klemme 13a mit einer Eingangs spannung Vo und die Eingangsklemme 13b mit einer Massespannung O beschickt wird, daß hierauf zur Messung einer Periode Τλ beiden Eingangsklemmen 13a» 13b eine Bezugsspannung Vn aufgeprägt wird, daß sodann zur Messung der Länge der Periode bzwo Zeitspanne T^ die Eingangsklemmen 13a, 13b anstelle der Eingangsspannung V^ mit einer Massespannung O beschickt werden und daß schließlich eine Digitalgröße des Werts oder Pegels der Eingangsspannung Vg anhand eines Mittelwerts zwischen den Meßwerten der Längen der Perioden T^, T^^! ermittelt wird«,

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Fall, in welchem an die Eingangsklemmen 13a, 13b während der Periode T₁ eine Bezugsspannung V_R und während der Periode To eine Massespannung O angelegt wird, um einen Zeitunterschied T zu ermitteln. Es kann jedoch als den gleichen Effekt zeitigend angesehen werden, wenn die Eingangsklemmen 13a, 13b während der Periode T₁ mit der Massespannung O und während der Periode T₂ mit der Bezugsspannung V„ beschickt werden*

Der Analog-Digital-Wandler gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist ein Doppelsteilheit-Wandler mit zwei Eingangswiderständen R₁, R₂, die denselben Widerstandsnennwert be sitzen» Bei einem derartigen Analog-Digital-Wandler werden die

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Eingangs klemmen 13a, 13b wechselweise bzw₀ abwechselnd mit einer Eingangsspannung V^ und einer Bezugsspannung V_R beschickto In der ersten Arbeitsstufe wird an die Eingangsklemmen 13a, 13b eine Bezugsspannung und dann eine Massespannung angelegt, um die Verlagerungs- bzw₀ Abweichspannung eines beim Wandler verwendeten Gleichstromverstärkers in Form eines Zeitunterschieds ΔΤ zu bestimmen. In der zweiten Arbeitsstufe wird an die eine Eingangsklemme eine Eingangsspannung V^ angelegt, um die Analog-Digital-Umwandlung des Werts oder Pegels der Eingangsspannung V^ unter Berücksichtigung des Zeitunterschieds ΔΤ durchzuführenβ In der dritten Arbeitsstufe wird ein der anderen Eingangsklemme entsprechender bzw_o zugeordneter Eingangswiderstand mit einer Eingangsspannung Vg beschickt, um die Analog-Digital-Umwandlung des Werts bzw_e Pegels der Eingangs spannung V^ durchzuführen«, Ein letzter Wert der Analog-Digital-Umwandlung wird anhand eines Durchschnitts zwischen den der Analog-Digital-Umwandlung unterzogenen Werten, die beim ersten und beim dritten Vorgang erhalten wurden, ermittelte

Die folgende Tabelle 4 veranschaulicht alle Arten bzw₀ Kombinationsschemata, in denen die verschiedenen Spannungsformen wechselweise an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegt werden können» In Tabelle 4 bezeichnen die Ziffern I, II, III und IV die Kombinationsschemata, während die Bezeichnung "Eingang 1" eine an die Eingangsklemme 13a angelegte Spannung und die Bezeichnung "Eingang 2" eine an die Eingangsklemme 13b angelegte Spannung angeben.

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Tabelle 4

Kombination	Eingang 1	T1	• T2	T3	T4	V=T3	V
I	Eingang 2	Vr	0	vs	0	Vr	0
	Eingang 1	Vr	0	Vr	0	vs	0
II	Eingang 2	Vr	0	vs	Vr	0	Vr
	Eingang 1	Vr	0	0	Vr	vs	Vr
		0	Vr	vs	Vr	0	Vr
III	Eingang 2
	Eingang 1	0	Vr	0	Vr	vs	Vr
		0	Vr	vs	0	Vr	0
IV	Eingang 2
	0	Vr	Vr	0	vs	0

(0 ändert sich auf Null)

Die nachstehende Tabelle 5 gibt die Werte von ££, T^,(γ^)_Α>

v_s ^R

(tt-) · an, welche allen oben genannten Kombinationsschemata ^V A

entsprechen:

Tabelle 5	I	A?	609Ö	T4^AT	(===·) ·
	II	^1		T1
III	T2-T1	(T1-T4)^AT
IV	T2-T1		(T1-I4')^
	T2-T1
	Τ1
	T4 +I^
		Φ I ■ * «τι 4 QiV-
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Normalerweise ist ein Ausgangssignal eines Analog-Digital-Wandlers so ausgelegt, daß der zwischen einem Höchst- und einem Mindestwert liegende vorgeschriebene Pegel-bzw. Wertbereich eines Eingangssignals einer zweckmäßig gewählten Zahl S von Digitalstufen oder -schritten entspricht«, Bei einem binären Digital-Digital- bzw«, Analog-Digital-Wandler wird beispielsweise ein Ausgangssignal entsprechend einem Mindestwert einer Eingangsspannung als 0000 _οβ· 000 und ein Ausgangssignal entsprechend einem Höchstwert dieser Spannung als 1111 .oo 111 bezeichnet«, Zwischen Höchst- und Mindestwert liegende Zwischenwerte werden durch eine Zählung bzw. eine gezählte Zahl von Digitalschritten, ausgedrückt als S= (2^m-i) angegeben (wobei m die Zahl der Bits bezeichnet, welche das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers bilden)₀ Die Längen der Perioden T^, T2 werden durch Zählen der abgegebenen Taktimpulse bestimmt,,

Wenn bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Höchstwert der Eingangsspannung V„ mit V_R und der Mindestwert mit 0 (im Fall von 0<Vq<Y-o) bezeichnet und eine Periode T^ durch die gezählte Zahl S von Taktimpulsen angegeben wird, so stellt eine gezählte Zahl von ^(Τ^+Τ^'-δΤ) von Taktimpulsen einen korrigierten, erforderlichen, einer Analog-Digital-Umwandlung unterzogenen Ausgang dar₀ Wenn die Periode T₁ beim zweiten Arbeitsschritt bzw, bei der zweiten Operation durch eine gezählte Zahl S von Taktimpulsen über dem Pegelbereich eines Eingangssignals bezeichnet wird, so gibt eine gezählte Zahl bzwo Zählung ^(ΖΤ,,-Τ^-Τ^-δΤ) ein korrigiertes, erforderliches, der Analog-Digital-Umwandlung unterworfenes Ausgangssignal an₀

Wenn der Höchstwert einer Eingangs spannung als J__ö__ V_n und ihr Mindestwert als ^J _minVp (unter der Annahme von 1>J_m >J_mi vO) ausgedrückt wird, wird der gewünschte, der Analog-Digital-Umwandlung unterworfene Ausgang durch Subtrahieren einer Zählung min von Taktimpulsen von einer

max min

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Zählung der Taktimpulse erhalten, welche ein durch den Analog-Digital-Wandler erzeugtes*Ausgangssignal darstellen, wobei die Länge der Periode bzw«, Zeitspanne T^ durch die Zählung

S
j ^j der Taktimpulse angegeben wird₀ Die Voraussetzung

max" min

für die Bestimmung eines genauen Analog-Digital-Umwandlungsausgangssignals besteht darin, daß eine einwandfrei gewählte Zahl von T_aktimpulsen der Periode T^ zugeordnet und erforderlichenfalls eine zweckmäßige Zählung der Taktimpulse von einer Zählung der Taktimpulse subtrahiert wird, welche ein gemessenes Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers darstellen.

Zur Verbesserung der Arbeitspräzis-ion eines Analog-Digital-Wandlers ist es erforderlich, die Genauigkeit zu verbessern, mit welcher die Längen der Perioden T₁, T₂, T,, T^, T «, T^¹ gemessen werden« Da die Länge einer Zeitspanne durch Zählen der Taktimpulse gemessen wird, ist ein Fehler bzw» ein Zeitunterschied von mindestens einer Zählung unvermeidbare Wenn in diesem Fall die genannte Zählung der Taktimpulse mit einer ganzen Zahl multipliziert wird ( vorzugsweise einem Vielfachen von 2, etwa 2, 4, 8 usw.) und das Multiplikationsprodukt durch dieselbe ganze Zahl, die als Multiplikator benutzt wurde, dividiert wird, kann der vorgenannte Fehler ausgeschaltet werden.

Fig_o 12 ist ein Blockschaltbild einer bei einem Analog-Digital-Wandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendeten Schalter-Steuerschaltung 15 zur Erzielung eines nach dem vorstehend erwähnten Verfahren korrigierten Analog-Digital-UmwandlungsausgangssignalSo Fig. 13 veranschaulicht die Arbeitsweise der Schaltung 15.

Die in Fig_e 12 mit 20 bezeichnete Schalter-Steuerschaltung dient zur Steuerung der Arbeitsweise der Umschalteranordnung 14, der Voreinstellung des Aufwärts/Abwärts-Zählers 21 sowie der Aufwärts- und Abwärtszählvorgänge. Bei 22 ist ein Schiebe-

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register dargestellt, welches eine durch den Zähler 21 durchgeführte Zählung speichert und die gespeicherte Zählung nach einer vorbestimmten Operation wieder zum Zähler 21 zurückführt. Bei 23 ist eine Mittelwert-Rechnerschaltung dargestellt, die ein Ausgangssignal erzeugt, welches den Mittelwert zwischen den während der Perioden T-, T^¹ gezählten Taktimpulszahlen darstellt.

Im folgenden ist anhand von Fig. 13 die Arbeitsweise der Schaltung 15 im Zusammenhang mit der ersten, in Verbindung mit Fig. 10 beschriebenen Operation erläutert.

Den beiden Eingangsklemmen 13a, 13b wird eine Bezugsspannung V_R aufgeprägte Der Aufwärts/Abwärts-Zähler 21 wird auf Null eingestellt, worauf^eSie über ein UND-Glied 24 empfangenen Taktimpulse bis zu einer vorbestimmten Zahl N^ zählt_e Dieses Intervall bestimnre eine Periode bzw_e Zeitspanne T^₈ Beim Hochzählen der Taktimpulse bis zur vorbestimmten Zahl N^ gibt der Schalter 21 ein Signal an die Steuerschaltung 20 ab, die ihrerseits die Betätigung des Umschalters 14 steuert, so daß an die beiden Eingangsklemmen 13a, 13b eine Massespannung angelegt wird, An diesem Punkt wird der Zähler 21 von einem Aufwärtszählen auf ein Abwärtszählen umgeschaltete Infolgedessen setzt der Zähler 21 das Abwärtszählen der Taktimpulse von der vorbestimmten Zahl N^ fort, bis an ihn ein Ausgangssignal vom Komparator 12 angelegt wird. Dieses Intervall stellt eine Periode bzw. Zeitspanne T₂ dar. Wenn die abwärtsgezählte Zahl von Taktimpulsen mit N₂ bezeichnet wird, wird die im Zähler 21 gespeicherte Zählung mit N^ - N₂ = -ΔΝ bezeichnet. Dabei entspricht ΔΝ einem Zeitunterschied ΔΤ_β Anschließend wird eine Anzahl von Taktimpulsen entsprechend -ΔΝ zum Schieberegister 22 überführt, das seinerseits die eingegangenen Taktimpulse um ein Bit abwärtszählt, um eine vor dem Abwärtszählen festgelegte Bedeutung (bzw. Vorzeichen) auf ein die vorher gezählten Taktimpulse bezeichnendes Symbol zu ändernj,

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und danach ein die abwärts ge zählte Zahl von Taktimpulsen darstellendes Signal zum Zähler 21 zurückzuführen, um diesen auf einen Wert von 4y- voreinzustellen_e Nach dem Austausch der Eingangsspannungen zählt der Zähler 21 die Taktimpulse bis zur vorbestimmten Zahl N^ aufwärts, nämlich um einen Betrag von

ΔΝ
N₁ -*ψ = N,* Hierbei bedeutet N^ eine Periode T,_e Wenn der Aufwärts/Abwärts-Zähler 21 die Taktimpulse bis zur vorbestimmten Zahl N^ hochgezählt hat, werden die Eingangsspannungen gegeneinander ausgetauscht. Der auf einen Wert von «* =3r eingestellte Zähler 21 setzt das Hochzählen derTaktimpulse fort, bis er ein Ausgangssignal vom Komparator 12 empfängt_β Die Länge der Zeitspanne, welcher der Zähler 21 für das Zählen einer Zahl N^ benötigt, entspricht einer Periode bzw₀ Zeitspanne T^₀ Eine zu diesem Zeitpunkt im Zähler 21 gespeicherte Zählung von (N^ - Aj-) wird zur Mittelwert-Rechnerschaltung 23 verschoben, die mit einem Schieberegister zur Speicherung der genannten, vom Zähler 21 übertragenen Zählung versehen ist_o

Nach Abschluß der vorgenannten Operation werden die an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegten Eingangsspannungen gegeneinander ausgetauscht. Der Zähler 21 ist auf Ay- voreingestellt, und er zählt die Taktimpulse bis zur vorbestimmten Zahl N^ hoche Danach wird an die Eingangsklemmen 13a, 13b anstelle einer Eingangs spannung V_q eine Bezugs spannung V_D angelegt.

ΑΪ\Τ

Der Aufwärts /Abwärts-Zähler 21 wird auf - ■==??- voreingestellt, und er setzt das Hochzählen der Taktimpulse fort, bis er ein Ausgangssignal vom Komparator 12 empfängt„ Die für das Zählen einer Zahl von N^¹ Taktimpulsen erforderliche Zeitspanne stellt eine Periode bzw. Zeitspanne T^¹ dar» Zu diesem Zeitpunkt wird eine im Zähler 21 gespeicherte Zählung von (NJ - Ay-) von Taktimpulsen zur Mittelwert-Rechnerschaltung 23 übertragene

Die Rechnerschaltung 23 ermittelt einen Mittelwert zwischen dem nunmehr empfangenen Wert Na ^ä - -*r und dem ihr vorher ein-

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ΛΝ

gegebenen Wert N^ —^- , worauf sie den so ermittelten Mittelwert abgibt.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Funktion der Schalter-Steuerschaltung 15 während der ersten Operation_e Diese Funktion wird gemäß aller Kombinationsschemata von Tabelle 5 in der gleichen Weise und mit der gleichen Wirkung durchgeführt»

Erfindungsgemäß wird zu jedem Zeitpunkt der Analog-Digital-Umwandlung eine automatische Einstellung bzw₀ ein automatischer Abgleich der Verlagerungs- bzw* Abweichspannung eines Gleichstromverstärkers durchgeführt. Aus diesem Grund wird ein genauer Wert der Analog-Digital-Umwandlung erhalten, selbst wenn sich der Verlagerungs- bzw. Abweichwert in Abhängigkeit von der Zeit ändert. Weiterhin werden die beiden Eingangswiderstände R₁, R₂ während der Perioden T_x, T^, T,¹, T^¹ mit gegeneinander austauschbaren Spannungen gespeiste Infolgedessen kann jederzeit ein genauer Wert der Analog-Digital-Umwandlung erzielt werden, welbst wenn die beiden in der Integrationsschaltung I vorgesehenen Eingangswiderstände R₁, R₂ eine zeitabhängige Verschlechterung ihrer Eigenschaften erfahren und die Umgebungstemperatur schwankt«,

Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, enthalten die Spalten T_x, (*?-), V ^R

und (¹T?-)¹ aller Kombinations schemata I, II, III und IV einen ^VR A

Ausdruck %=·. Wenn dabei ΔΤ eine ungerade Zahl darstellt, be-

/VP

deutet -rr- einen Bruchteil gleich 0,5» der je nach Fall vernachlässigt oder als Einheit bzw«, ganze Zahl betrachtet werden sollte. Wenn nämlich die Berichtigungsausdrücke ^f- der

v_s v_s

Spalten T,, (y-)_A» (τΓ") ^!λ *^m Kombinations schema I das gleiche R R

■negative Vorzeichen besitzen und auf ähnliche Weise die Korrek-

Am

turausdrücke ^₂=- der gleichen Spalten im Kombinationsschema IV

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das gleiche positive Vorzeichen aufweist, sollte der genannte Bruchteil von 0,5 im erstgenannten Fall vernachlässigt und im zweit genannten Fall als ganze Zahl bzw. als Einheit betrachtet werden oder umgekehrt, um dadurch die bei der Analog-Digital-Umwandlung auftretenden Fehler zu verringern«, Wenn die

ΔΤ

Korrekturausdrücke -jjr der vorher genannten Spalten für die Kombinationsschemata II, III unterschiedliche Vorzeichen besitzen, sollte der Bruch von 0,5 für beide Kombinationsschemata II, III entweder vernachlässigt oder als ganze Zahl bzw_o Einheit betrachtet werdenο

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden an die Eingangsklemmen 13a, 13b drei Spannungsformen angelegt, nämlich eine Eingangsspannung, eine Bezugsspannung und eine Massespannung, die gegeneinander austauschbar sind. Die Massespannung kann jedoch als eine Art Bezugsspannung angesehen werden und braucht daher nicht als solche benutzt zu werden» Bei dieser Ausführungsform können daher die an die Eingangsklemmen 13a, 13b angelegten Spannungen als aus einer Analog-Eingangsspannung V₃ sowie einer ersten und einer zweiten Bezugsspannung V_R mit der gleichen Polarität, jedoch unterschiedlichem Wert angesehen werden_e Eine an die nicht-invertierende Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers 11 angelegte Eingangsspannung wird mit einem Wert gewählt, der praktisch einen Mittelpunkt zwischen den Werten oder Pegeln der ersten und der zweiten Bezugsspannung Vq darstellt, d_eh, einem Wert bzw. Pegel von 3? (V_R1 + V_R2) entspricht«,

Die vorstehende Beschreibung trifft nicht nur auf den Fall zu, in welchem die beiden Bezugsspannungen V_R jeweils die gleiche positive Polarität besitzen (bzw„ eine dieser Spannungen einen Wert gleich Null besitzt), sondern auch auf den Fall, in welchem die beiden Bezugsspannungen Vn die gleiche negative Polarität besitzen (bzw. eine dieser Spannungen einen Wert gleich Null besitzt). Im letztgenannten Fall besitzt eine der nicht-

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invertierenden Eingangsklemme des Gleichstromverstärkers 11 aufgeprägte Spannung ebenfalls eine negative Polarität₀

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist ein einziger reversibler Aufwärts/Abwärts-Zähler 21 für die Voreinstellung und Zeitmessung vorgesehen«» Es ist jedoch auch mög«· lieh, mehrere Zähler vorzusehen und diese sich in die Messung der Perioden T^, T₂, T^, T^ teilen zu lassen« Beispielsweise können die Zähler in einer zweckmäßigen Zahl vorgesehen sein, wobei ein einziger Zähler die Perioden T^ und T₂ mißt, während jeweils getrennte Zähler die Perioden T^, T^ und T.' messen₀

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Claims (1)

1. -54- 2547783

   PATENTANSPRÜCHE

   !1 ο 'Analog-Digital-Wandler, bestehend aus zwei Signaleingangsklemmen, an welche über einen Analogschalter selektiv eine Eingangs-Analogspannung, eine erste Bezugs spannung und eine zweite Bezugsspannung anlegbar sind, einer Integrationsschaltung mit zwei Integrationswiderständen, die selektiv mit der ersten und der zweiten Signaleingangsklemme verbindbar sind, mit einem Gleichstromverstärker, der eine Inversionseingangsklemme, an welche die beiden Integrationswiderstände angeschlossen sind, und eine nicht-invertierende Eingangsklemme aufweist, an welcher eine vorbestimmte Spannung mit einem zwischen dem Wert der ersten und der zweiten Bezugsspannung liegenden MitieLwert anlegbar ist, und mit einem zwischen eine Ausgangsklemme des Gleichstromverstärkers und die Inversionseingangsklemme geschalteten Integrationskondensator, einem Analogkomparator, dessen erste Eingangsklemme an die Aus gangs klemme des Gleichstromverstärkers angeschlossen und an dessen zweite Eingangsklemme eine Vergleichs-Bezugsspannung anlegbar ist, und einer Steuerschaltung, um bei Eingang eines Ausgangssignals vom Analogkomparator über den Analogschalter selektiv die Analogspannung, die erste Bezugsspannung bzw. die zweite Bezugsspannung an die beiden Signaleingangsklemmen anzulegen, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerschaltung eine erste Umschalteinrichtung zum Umschalten des Analogschalters zwecks Anlegung der Eingangsspannung sowie der ersten oder der zweiten Bezugsspannung an den ersten und zweiten Integrationswiderstand, eine zweite Umschalteinrichtung zum Umschalten des Analogschalters, um an den ersten und zweiten Integrationswiderstand die Eingangsspannung, die erste Bezugsspannung oder die zweite Bezugsspannung in einer gegenüber der ersten UmschalteL nrichtung unterschiedlich kombinierten Weise anzulegen, und eine Einrichtung zur Erzielung eines Digitalwerts entsprechend einer

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   durch die erste und die zweite Umschalteinrichtung gewährleisteten Summe der Ausgangsspannungen des Integrators aufweist, wobei unter Heranziehung des von der zuletzt genannten Einrichtung gelieferten Digitalwerts eine einer Analog-Digital-Umwandlung unterworfene Größe der Eingangsspannung erhalten wird_o

   2_e Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Zähler zum Zählen von Taktimpulsen während einer Zeitspanne T,. einer vorbestimmten Länge von dem Zeitpunkt an, an welchem der Analog-Komparator eine Koinzidenz der Ausgangsspannung des Gleichstromverstärkers mit der Vergleichs-Bezugsspannung festgestellt hat, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, während die erste Bezugsspannung an die erste und die zweite Signaleingangsklemme angelegt wird, eine Umschalteinrichtung zum Umschalten einer an die beiden Signaleingangsklemmen anzulegenden Spannung auf die zweite Bezugsspannung zu dem Zeitpunkt, an welchem der Zähler die Taktimpulse während der vorbestimmten Zeitspanne T^ gezählt hat, eine erste Meßeinrichtung zum Messen der Länge einer Zeitspanne T₂ von dem Zeitpunkt an, an welchem die angelegte Spannung durch die Umschalteinrichtung auf die zweite Bezugsspannung umgeschaltet worden ist, bis zu dem Zeitpunkt, an welchem der Analogkomparator wiederum ein Ausgangssignal erzeugt, eine erste Bestimmungseinrichtung, um anhand der Länge der durch die erste Meßeinrichtung gemessenen Zeitspanne T₂ und der vorbestimmten Zeitspanne T. einen Fehler bezüglich der Zeitspannenlänge aufgrund einer Verlagerungs- bzw«, Abweichspannung der Integrationsschaltung zu bestimmen, eine zweite Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer vorgeschriebenen Zeitspannenlänge T,, die für die Messung der Eingangsspannung unter Heranziehung der durch die erste Bestimmungseinrichtung ermittelten Zeitspannenlängenfehler erforderlich ' ist, eine erste Anlegungs- bzw. Speiseeinrichtung zum AnIe-

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   gen der Eingangsspannung an die erste Signaleingangsklemme während praktisch einer ersten Halbperiode T^/2 der vorbestimmten, durch die zweite Bestimmungseinrichtung ermittelten Zeitspanne T-* und zum gleichzeitigen Anlegen der ersten odsr der zweiten Bezugsspannung an die zweite Signaleingangsklemme, und um anschließend die während praktisch der ersten Halbperiode T^/2 angelegten Bezugsspannungen während der restlichen Halbperiode T,/2 an die erste Signaleingangsklemme und gleichzeitig die Eingangsspannung an die zweite Signaleingangsklemme anzulegen, eine zweite Anlegungs- bzw. Speiseeinrichtung, um dann, wenn die vorbestimmten Spannungen durch die erste Speiseeinrichtung an die beiden Signaleingangsklemmen angelegt worden sind, die erste oder die zweite Bezugsspannung an die erste und zweite Signaleingangsklemme anzulegen, eine zweite Meßeinrichtung zur Messung der Länge einer Zeitspanne T^ von dem Zeitpunkt, an welchem die durch die zweite Speiseeinrichtung angelegte Spannung geändert worden ist, bis zu dem Zeitpunkt, an welchem der Analogkomparator erneut ein Ausgangssignal liefert, und eine zweite Be s timmungs einrichtung zur Bestimmung bzw«, Festlegung einer Digitalgröße der Eingangsspannung anhand der durch die zweite Meßeinrichtung bestimmten Zeitspanne T^ und der vorbestimmten Zeitspanne T,. aufweist,

   Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung zwei Zähler zum Zählen der in vorbestimmten Intervallen zugeführten Taktimpulse, eine erste Einrichtung zum Wählen der ersten Bezugsspannung durch den Analogschalter und zum Einstellen des ersten Zählers in einen Aufwärtszählzustand, eine zweite Einrichtung, die dann, wenn eine Zählung des ersten Zählers bei einer vom zweiten Zähler bestimmten Zählung von T_R angekommen ist, die zweite Bezugsspannung durch den Analogschalter wählt, um sie an den Gleichstromverstärker anzu-

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   legen und den zweiten Zähler auf einen Abwärtszählzustand einzustellen, eine erste Speicherschaltung zur Speicherung der Zählung des zweiten Zählers bei Eingang eines durch die zweitgenannte Einrichtung erzeugten Ausgangssignals des Analogkomparators, wenn die Ausgangsspannung des Gleichstromverstärkers die Vergleichs-Bezugsspannung erreicht hat, eine dritte Einrichtung zur Einstellung einer negativen Zahl -T_R der Zählung für den ersten Zähler, nachdem der Analogkomparator ein Ausgangssignal liefert, und zum Wählen der Analogeingangsspannung durch den Analogschalter sowie zur Einstellung bzw, zum Setzen des ersten und des zweiten Zählers in einen Aufwärtszählzustand, eine Umschalteinrichtung, die nach Beendigung des Setzvorgangs der drittgenannten Einrichtung die an den ersten und den zweiten Integrationswiderstand anzulegenden Spannungen gegeneinander austauscht, wenn der erste Zähler während einer Periode gleich 1/2 der Zählung T_R Taktimpulse gezählt hat, eine Detektoreinrichtung zur Feststellung der Koinzidenz zwischen einer Zählung des ersten Zählers und einem Wert, der durch Multiplizieren der in der ersten Speicherschaltung enthaltenen Zählung mit 1/2 erhalten wird, eine vierte Einrichtung, die nach Feststellung der Koinzidenz die zweite Bezugsspannung durch den Analogschalter wählt und den AufwärtszählVorgang des zweiten Zählers unterbricht, sowie eine zweite Speicherschaltung aufweist, in welcher die Zählung des ersten Zählers nach Eingang eines durch die viertgenannte Einrichtung erzeugten Ausgangssignals des Analogkomparators gespeichert wird, wenn die Ausgangsspannung des Gleichstromverstärkers die Vergleichs-Bezugsspannung erreicht hat.

   4c Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Zähler zum Zählen von Taktimpulsen während einer vorbestimmten Zeitspanne T. von dem Zeitpunkt an, an welchem der Analogkomparator eine Koinzidenz zwischen der Ausgangsspannung des Gleichstromverstär-

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   kers und der Vergleichs-Bezugsspannung festgestellt hat, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, während die erste Bezugsspannung an die erste und die zweite Signaleingangsklemme angelegt wird, eine Umschalteinrichtung zum Umschalten einer an die erste und die zweite Signaleingangsklemme angelegten Spannung auf die zweite Bezugsspannung zu dem Zeitpunkt, an welchem der Zähler die Taktimpulse während der vorbestimmten Zeits-panne gezählt hat, eine erste Meßeinrichtung, um durch den Zähler oder einen anderen, getrennt vorgesehenen Zähler eine- Zeitspanne T₂ von dem Zeitpunkt, an welchem die angelegte Spannung auf die zweite Bezugsspannung umgeschaltet worden ist, bis zu dem Zeitpunkt zu messen, an welchem der Analogkomparator erneut ein Ausgangssignal liefert, eine erste Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung bzw. Feststellung eines Fehlers bezüglich der Zeitdauer aufgrund der Verlagerungs- bzw, Abweichspannung einer den Gleichstromverstärker enthaltenden Integrationsschaltung von der durch die erste Meßeinrichtung gemessenen Zeitspanne T₂ und der vorbestimmten Zeitspanne T^, eine dritte Bestimmungseinrichtung zur Festlegung einer bestimmten, erforderlichen Zeitspanne bzw₀ Zeitdauer T^ für die Messung der Eingangsspannung unter Heranziehung des durch die erste Bestimmungseinrichtung ermittelten Zeitspannenfehlers, eine erste Speiseeinrichtung zur Anlegung der Eingangsspannung an die erste Signaleingangsklemme und zur gleichzeitigen Anlegung der ersten oder der zweiten Bezugsspannung an¹ die zweite Signaleingangsklemme während der durch die zweite Bestimmungseinrichtung festgelegten, vorbestimmten Zeitspanne, und um danach die erste oder die zweite Bezugsspannung an die erste und die zweite Signaleingangsklemme anzulegen, eine zweite Meßeinrichtung, die mittels des Zählers oder des anderen, getrennt vorgesehenen Zählers eine Zeitspanne T^ von dem Zeitpunkt, an welchem die durch die erste Speiseeinrichtung angelegte Spannung geändert wird, bis zu dem Zeitpunkt zu messen, an welchem der Analog-

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   komparator erneut ein Ausgangssignal liefert, eine zweite Speiseeinrichtung zur Anlegung der ersten oder der zweiten Bezugsspannung an die erste Signaleingangsklemme und zur gleichzeitigen Anlegung der Eingangsspannung an die zweite Signaleingangsklemme während der vorbestimmten Zeitspanne bzw«, Zeitdauer T,, nachdem die Zeitspanne T/ durch die zweite Meßeinrichtung ermittelt worden ist, und um danach die erste oder die zweite Bezugsspannuig an die erste und zweite Signaleingangsklemme anzulegen, eine dritte Meßeinrichtung, um mittels des Zählers bzw. des anderen, getrennt vorgesehenen Zählers eine Zeitspanne bzw. Zeitdauer T^¹ von dem Zeitpunkt, an welchem die durch die zweite Speiseeinrichtung an die Signaleingangsklemme angelegte Spannung geändert wird, bis zu dem Zeitpunkt zu messen, an welchem der Analogkomparator erneut ein Ausgangssignal liefert, und eine Einrichtung zur Erzielung bzw. Gewährleistung einer Digitalgröße der Eingangsspannung unter Heranziehung der durch die dritte Meßeinrichtung bestimmten Zeitspanne T^' und der Zeitspanne T^ aufweist,,

   Analog-Digital-Wandler, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen einzigen Integrationswiderstand, an den selektiv entweder eine zu messende Analogeingangsspannung, eine erste Bezugsspannung mit der gleichen Polarität wie die Analogeingangsspannung oder eine zweite Bezugsspannung mit derselben Polarität wie die Analogeingangsspannung und mit einem von der ersten Bezugsspannung verschiedenen Wert anlegbar ist, einen Gleichstromverstärker mit einer an den Integrationswiderstand angeschlossenen Inversionseingangsklemme und einer nicht-invertierenden Eingangsklemme, an welche eine vorbestimmte Spannung mit einem praktisch in der Mitte zwischen den Werten der ersten und der zweiten Bezugsspannung liegenden Wert anlegbar ist, einen zwischen eine Ausgangsklemme des Gleichstromverstärkers und die Inversionseingangsklemme

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   eingeschalteten Integrationskondensator,, eine.n Analogkomparator, dessen eine Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme des Gleichstromverstärkers verbunden und an dessen andere Eingangsklerame eine Vergleichs- Bezugsspannung anlegbar ist, einen Zähler zum.Zählen der Taktimpulse während einer vor-, bestimmten Zeitspanne bzw«, Zeitdauer T,. von dem Zej/tpunkt an, an welchem der Analogkomparator eine Koinzidenz zwischen der Ausgangsspannung des Gleichstromyerstärkers und der Vergleichs-Bezugsspannung festgestellt hat, eine/Umschalte inri chtung zum Umschalten einer an den Integrationswiderstand, angelegten Spannung auf die zweite Bezugsspannung zu dem Zeitpunkt, an welchem der Zähler die Taktimpulse während der vorbestimmten Zeitspanne T-. gezählt hat, eine erste Meßeinrichtung, um mittels des Zählers oder eines anderen, getrennt vorgesehenen Zählers eine Zeitspanne T₂ von dem Zeitpunkt, an welchem die angelegte Spannung durch die Umschal teinrichtung auf die zweite Bezugsspannung umgeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt zu messen, an welchem der Analogkomparator erneut ein Ausgangssignal liefert, eine erste Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung bzw_e Feststellung eines Fehlers bezüglich der Zeitspanne bzw. Zeitdauer aufgrund der Verlagerungs- bzw. Abweichspannung einer den Gleichstromverstärker einschließenden Integrationsschaltung von der durch die erste Meßeinrichtung gemessenen Zeitspanne Tp und der vorbestimmten Zeitspanne T,., eine zweite Be s timmungs einrichtung zur Bestimmung bzw« Festlegung einer vorbestimmten Zeitspanne T^, die zur Messung der Eingangsspannung unter Heranziehung des durch die erste Bestimmungseinrichtung ermittelten Zeitspannen- bzw. Zeitdauerfehlers erforderlich ist, eine erste Speiseeinrichtung zur Anlegung der ersten oder der zweiten Bezugsspannung an den Integrationswiderstand während einer anfänglichen bzw_e ersten Halbperiode T-j/2 der vorbestimmten Zeitspanne bzw_e Zeitdauer T, nach Bestimmung durch die zweite Bestimmungseinrichtung und zum anschließenden Anlegen der Eingangsspannung an den Integrationswiderstand während der restlichen Periode T,/2, eine

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   zweite Speiseeinrichtung zum Anlegen der zweiten oder der ersten Bezugsspannung an den Integrationswiderstand, nachdem an diesen durch die erste Speiseeinrichtung die vorbestimmten Spannungen angelegt worden sind, eine zweite Meßeinrichtung, um mittels des genannten Zählers oder des anderen Zählers eine Zeitspanne bzw. Zeitdauer T^ von dem Zeitpunkt, an welchem die durch die zweite Speiseeinrichtung an den Integrationswiderstand angelegte Spannung umgeschaltet worden ist, bis zu dem Zeitpunkt zu messen, an welchem der Analogkomparator erneut ein Ausgangssignal liefert, sowie durch eine Einrichtung zur Lieferung einer Digitalgröße der Eingangsspannung anhand der durch die zweite Meßeinrichtung bestimmten Zeitspanne bzw. Zeitdauer T- und der vorbestimmten Zeitspanne bzw. Zeitdauer T^ ₀

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