DE2624066A1 - Analog-digital-umsetzer - Google Patents

Analog-digital-umsetzer

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DE2624066A1
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Germany
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integrator
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threshold
zrz
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Abutorab Dr Bayati
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/10Calibration or testing
    • H03M1/1066Mechanical or optical alignment

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Description

  • Analog-Digital-Umsetzer
  • Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein derartiger Analog-Digital-Umsetzer ist in der Zeitschrift "Elektronik" 1974, Heft 12, Seiten 469 bis 472 beschrieben. Bei diesem bekannten Umsetzer wird, wenn die Integratorausgangsspannung einen Schwellwert unterschreitet, eine bistabile Kippstufe vorbereitet, die mit dem nächsten Taktimpuls gesetzt wird und dann den Kompensationsstrom einschaltet. Nach Überschreiten des Schwellwertes wird mit dem nächsten Taktimpuls die bistabile Kippstufe zurückgesetzt und der Kompensationsstrom abgeschaltet.
  • Danach wiederholt sich der Auf- und Entladevorgang des Integrators zyklisch. Während der Entladephasen, in denen dem Integrator der Eingangs- und der Kompensationsstrom zugeführt werden, werden Taktimpulse in einem Zähler summiert.
  • Aus dem "Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung" von Steinbuch, 1962, Seiten 775 und 776 sind Analog-Digital-Umsetzer bekannt, in denen die Eingangsspannung mit einer Kompensationsspannung verglichen wird, die in einem Digital-Analog-Umsetzer erzeugt ist, der mit dem Stand eines Zählers oder eines Ergebnisregisters gespeist ist. Dieser wird so lange verändert, bis die Abweichung der Kompensationsspannung von der Eingangs spannung möglichst klein ist, d. h. kleiner als die der niederwertigsten Einheit des digitalen Ergebnisses entsprechende Eingangsspannung.
  • In der niederwertigsten Stelle wird im allgemeinen kein eindeutiges Ergebnis erhalten; das Ergebnis springt in dieser Stelle stets um eine Einheit auf und ab.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analog-Digital-Umsetzer der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem bei langen Integrationszeiten und geringem Aufwand eine hohe Genauigkeit erzielt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
  • Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele in Prinzipschaltbildern gezeigt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.
  • Es zeigen Figur 1 das Schaltbild einer Anordnung, in der das Meßergebnis durch Mittelwertbildung des Standes eines Zweirichtungszählers erhalten wird, Figur 2 das Schaltbild einer Anordnung, welche die niederwertigsten Stellen des Ergebnisses durch Messen der Entladezeiten eines Integrators ermittelt wird, wobei die Sntladezeiten aus dem Stand eines Zweirichtungszählers erkannt werden und Figur 3 eine Anordnung, in welcher der Zweirichtungszähler auf eine bistabile Kippstufe reduziert ist.
  • In Figur 1 ist mit INT ein Integrator bezeichnet, dem das Eingangssignal Ue zugeführt ist. Bei positivem Eingangssignal sinkt seine Ausgangsspannung, bei negativem Eingangssignal steigt sie.
  • Um die Aufladung des Integrators INT zu beschränken, sind dem Ladekondensator zwei Zenerdioden Z1, Z2 parallel geschaltet. An den Integrator INT ist ein Inverter angeschlossen, der im wesentlichen aus einem invertierenden Verstärker besteht, der so gegengekoppelt ist, daß sein Verstärkungsgrad Eins ist. Erreicht oder überschreitet das Ausgangssignal des Integrators INT oder das des Inverters INV den in einer Schwellwertstufe SWS eingestellten Schwellwert, so gibt dieser einen Taktgenerator TG1 frei, dessen Ausgangsimpulse als Zählimpulse einem Zweirichtungszähler ZRZ zugeführt sind. Dieser Zähler ist ferner von den Ausgangssignalen des Integrators und des Inverters auf Vorwärts-oder Rückwärtszählung eingestellt, je nach dem, ob das Ausgangs- signal des Integrators größer als das des Inverters ist oder umgekehrt. Der Stand des Zweirichtungszählers ZRZ wird in einem Digital-Analog-Umsetzer DAU und einem diesem nachgeschalteten Widerstand in einen Kompensationsstrom für das Eingangssignal umgesetzt.
  • Die bisher beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Es wird angenommen, daß die Eingangsspannung Ue Null ist und dementsprechend der Stand des Zählers ZRZ ebenfalls Null ist, so daß der Digital-Analog-Umsetzer DAU keinen Kompensationsstrom liefert.
  • Wird eine positive Eingangsspannung Ue angelegt, so beginnt die Ausgangsspannung des Integrators INT negativ und die des Inverters INV positiv zu werden, so daß der Zweirichtungszähler ZRZ auf Vorwärtszählen geschaltet wird. Nach weiterem Abfallen der Integratorspannung INT und damit Ansteigen der Inverterspannung INV wird der in der Schwellwertstufe SWS eingestellte Schwellwert erreicht, der Taktgenerator TG1 freigegeben und der Stand des Zählers ZRZ erhöht. Damit beginnt der Digital-Analog-Umsetzer DAU einen Kompensationsstrom abzugeben, der aber noch nicht ausreichen soll, den vom Eingangssignal herrührenden Strom zu kompensieren. Die Integratorspannung würde zunächst ggf. bis auf einen unzulässig hohen Wert in negativer Richtung weiter steigen, wenn sie nicht von den Zenerdioden Z1 und Z2 auf einen Wert beschränkt würde, der nur wenig größer ist als der in der Schwellwertstufe SWS eingestellte Schwellwert. Erreicht der Zweirichtungszähler ZRZ einen Stand, bei dem der vom Digital-Analog-Umsetzer DAU gelieferte Kompensationsstrom den Eingangsstrom übersteigt, wird der Integrator INT entladen, seine Ausgangsspannung sinkt unter den in der Schwellwertstufe SWS eingestellten Schwellwert, der Taktgenerator TG1 wird gestoppt, der Stand des Zählers ZRZ bleibt unverändert, so daß der Integrator mit einem konstanten Strom entladen und nach Nulldurchgang in umgekehrter Richtung aufgeladen wird, bis seine Ausgangsspannung wieder den in der Schwellwertstufe SWS eingestellten Schwellwert erreicht.
  • Die Ausgangs spannung des Inverters INV ist in diesem Falle negativ, so daß sie die Schwellwertstufe SWS nicht zum Ansprechen bringen kann.
  • Nach Überschreiten des Schwellwertes wird der Taktgenerator TG1 wieder freigegeben, es gelangt ein Zählimpuls auf den Zähler ZRZ, dessen Stand aber nicht um Eins erhöht, sondern um Eins erniedrigt wird, da der Zähler ZRZ wegen der Umladung des Integrators INT jetzt auf Rückwärtszählen eingestellt ist. Die Erniedrigung des Zählerstandes bewirkt, daß der vom Digital-Analog-Umsetzer DAU gelieferte Kompensationsstrom kleiner wird, und zwar kleiner als der Eingangs strom, so daß nunmehr der Integrator INT wieder umgeladen wird.
  • Die beschriebenen Umladevorgänge wiederholen sich stets, wobei die Ausgangs spannung des Integrators sich zwischen einem positiven Schwellwert und einem negativen Schwellwert gleichen Betrages ändert. Das Verhältnis der Auf- und Entladezeiten hängt davon ab, wie groß der Unterschied zwischen dem Eingangsstrom und dem Kompensationsstrom ist, d. h. wie groß der Fehler des im Zähler ZRZ enthaltenen Digitalwertes ist. Sind Eingangsstrom und Kompensationsstrom gleich, finden keine Umladevorgänge statt.
  • Ist der Eingangsstrom etwas größer als der Kompensationsstrom, wird der Integrator langsam aufgeladen. Nach Erhöhen des Zählerstandes um Eins ist der Kompensationsstrom deutlich größer als der Eingangs strom und der Integrator wird verhältnismäßig rasch entladen. Ist der Eingangsstrom der Mittelwert der beiden Kompensationsströme, so sind die Auf- und Entladezeiten gleich.
  • Kommt der Eingangsstrom an den größeren der beiden Kompensationsströme heran, so ist die Aufladezeit im Verhältnis zur Entladezeit kurz.
  • Der Stand des Zählers ZRZ springt somit auch bei konstantem Eingangssignal stets um eine Einheit auf und ab. Die Genauigkeit der Analog-Digital-Umsetzung ist durch diesen Digitalisierungsfehler beschränkt. In der Anordnung nach Figur 1 wird die Ge-Genauigkeit mit Hilfe eines Addierwerkes ADW, das von einem Taktgenerator TG2 gesteuert ist und eines Mittelwertbilders »iB, der von einem Zähler Z1 gesteuert ist, erhöht. Mit jedem Impuls des Taktgenerators TG2 wird der Stand des Zählers ZRZ in das Addierwerk übernommen und zu dessen Inhalt hinzuaddiert. Die Anzahl der Additionen ist im Zähler Z1 eingestellt. Wird diese Zahl erreicht, wird der Mittelwert des Standes des Zählers ZRZ gebildet, indem die im Addierwerk ADW stehende Summe durch die Anzahl der Additionen dividiert wird. Auf die Mittelwertbildung kann verzichtet werden, wenn von vornherein die Anzahl der Addi- tionen bei der Digitalwertbildu7g im Zähler ZRZ berücksichtigt wird. Auch kann die Mittelwertbildung durch Kommaverschiebung erreicht werden, indem z. B. bei einer Darstellung in Dezimalzahlen und 100 Additionen pro Meßperiode das Komma um zwei Stellen nach links verschoben wird. Die Genauigkeit des so erhaltenen Mittelwertes nimmt mit der Anzahl der Additionen je Meßperiode zu.
  • Durch die Mittelwertbildung werden auch Schwankungen des Eingangssignals, die z. B. durch die Einstreuung der Netzspannung verursacht sein können, eliminiert.
  • Die bisher beschriebene Anordnung eignet sich vor allem zum fort--laufenden Messen und Anzeigen einer Spannung oder eines Stromes.
  • Nach Anlegen eines Eingangssignals kann der erste ausgegebene Wert mit einem Fehler behaftet sein, da auch während des Hochzählens des Zählers ZRZ der Mittelwert gebildet wird. Will man diesen Nachteil vermeiden, kann man eine bistabile Kippstufe FF1 vorsehen, die den Taktgenerator TG2 erst dann freigibt, wenn die Schwellwertstufe SWS zum ersten Mal angesprochen hat. Damit wird während des Hochzählens kein Mittelwert gebildet. Die Kippstufe FF1 wird vom Ausgangssignal des Zählers Z1 zurückgesetzt.
  • In Figur 2 sind wieder mit INT der Integrator, mit INV der Inverter, mit TG1 der den Zweirichtungszähler ZRZ ansteuernde Taktgenerator und mit DAU der den Kompensationsstrom liefernde Digital-Analog-Umsetzer bezeichnet. Anstelle einer einzigen Schwellwertstufe sind zwei Schwellwertstufen SWS1, SWS2 vorgesehen, von denen die eine, SWS1, an den Integrator und die andere, SWS2, an den Inverter angeschlossen ist. Beide Schwellwertstufen sind auf denselben Schwellwert eingestellt. Die Schwellwertstufen steuern nicht nur den Taktgenerator TG1, sondern auch die Zählrichtung des Zweirichtungszählers ZRZ. Eine solche Anordnung mit zwei Schwellwertstufen kann auch in der Anordnung nach Figur 1 eingesetzt sein. Der Zähler ZRZ sei ein Dualzähler, an dessen Ausgänge, über welche die niederwertigsten Ergebnisstellen ausgegeben werden, eine Logikschaltung LOG angeschlossen ist, welche feststellt, welcher der beiden Zählerstände, zwischen denen der Zähler im eingeschwungenen Zustand hin- und herspringt, der größere ist. Solange der größere Zählerstand ausgegeben wird, d. h. der Digital-Analog-Umsetzer den größeren Kompensationsstrom liefert, gibt diese Logikschaltung LOG ein Freigabesignal auf eine Torschaltung T1, die ein weiteres Freigabesignal vom Zähler Z1 erhält, der die Taktimpulse des Taktgenerators TG2 aufsummiert und dadurch die Meßzeit bildet. Die während der Meßzeit von der Torschaltung T1 durchgeschalteten Impulse gelangen auf einen Zähler Z2. Ein Addierwerk ADW1 ersetzt die niederwertigste Stelle des Standes des Zählers ZRZ durch das Zählergebnis des Zählers Z2 und gibt den so ermittelten Wert als Ergebnis der Analog-Digital-Umsetzung aus. Die Kippstufe FF1 und die von ihr gesteuerte, nicht bezeichnete Torschaltung dienen dazu, den Stand des Zählers ZRZ erst im eingeschwungenen Zustand zu korrigieren.
  • Es ist ersichtlich, daß die höherwertigen Stellen des vom Addierwerk ADW1 ausgegebenen Digitalwertes vom Zweirichtungszähler ZRZ, die niederwertigen Stellen vom Zähler Z2 geliefert werden. Das Verhältnis der von den Zählern ZRZ und Z2 gelieferten Stellenzahl kann nahezu beliebig sein. Verkleinert man die Stellenzahl des Zählers ZRZ, so gelangt man schließlich zur Anordnung nach Figur 3, in der der Zweirichtungszähler lediglich aus einer bistabilen Kippstufe FF2 besteht, die von den Schwellwertstufen SWS1 und SWS2 geschaltet wird. Mit INT und INV sind wieder der Integrator und der Inverter bezeichnet. Der Digital-Analog-Umsetzer vereinfacht sich zu einer schaltbaren Stromquelle SQ. Der Taktgenerator TG1 und die Logikschaltung LOG entfallen. Auch ist kein Addierwerk mehr erforderlich. Die Meßzeit ist wieder im Zähler Z1 eingestellt. Während der Meßzeit werden im Zähler Z2 die Impulse des Taktgenerators TG2 aufsummiert, die bei eingeschalteter Stromquelle SQ auf den Zähler Z2 gelangen. Mit Beendigung der Meßzeit schaltet der Zähler Z1 den Stand des Zählers 22 in einen Ausgabespeicher SP. Ein derartiger Analog-Digital-Umsetzer zeichnet sich durch seine Einfachheit aus.
  • 5 Patentansprüche 3 Figuren

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Analog-Digital-Umsetzer mit einem Integrator, der vom Eingangssignal bis zu einem in einer ersten Schwellwertstufe eingestellten Schwellwert aufgeladen und anschließend von der Summe des Eingangssignals und einem Kompensationssignal mit zur Polarität des Eingangssignals entgegengesetzter Polarität entladen wird, und mit einer von der Schwellwertstufe gesteuerten Schalteinheit, die eine das Kompensationssignal erzeugende Einheit und eine dem Eingangssignal entsprechenden Digitalwert liefernde Summiereinrichtung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Schwellwertstufe (SWS2) vorgesehen ist, welche, wenn das Ausgangssignal des Integrators (INT) den in ihr eingestellten Schwellwert überschritten hat, die Schalteinrichtung (ZRZ; FF2) so steuert, daß das Kompensationssignal verkleinert wird.
  2. 2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweirichtungszähler (ZRZ) vorgesehen ist, an den ein das Kompensationssignal liefernder Digital-Analog-Umsetzer (DAU) angeschlossen ist, dessen Zählrichtung von den Schwellwertstufen (SWS1, SWS2) in dem Sinne gesteuert ist, daß das Kompensationssignal dem Eingangssignal angenähert wird, und dem Zählimpulse aus einem Taktgenerator (TG1) zugeführt sind, der von den Schwellwertstufen (SWS1, SWS2) dann freigegeben ist, wenn mindestens ein Schwellwert überschritten ist, und daß ein Addierwerk (ADW, ADW1) und ggf. ein Mittelwertbildner (MWB) vorgesehen ist, die in zeitlich konstanten Abständen den jeweiligen Stand des Zweirichtungszählers (ZRZ) aufsummieren und nach einer vorgegebenen Zeit den Mittelwert der aufsummierten Zählerstände bilden.
  3. 3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Addierwerk (ADW) und der Mittelwertbilder (MWB) den Mittelwert der niederwertigsten Stellen des Standes des Zweirichtungszählers (ZRZ), vorzugsweise der niederwertigsten Stelle bilden und zu den höherwertigen Stellen des Standes des Zweirichtungszählers hinzuaddieren.
  4. 4. Analog-Digital-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine bistabile Kippstufe (FF2) enthält, die eine das Kompensationssignal zumindest teilweise liefernde Stromquelle (SQ) ein- und ausschaltet und während der Einschaltzeiten einen Zähler (Z2) für Taktimpulse während einer in einer die Taktimpulse aufsummierenden Zähler (Z1) eingestellten Zeit freigibt.
  5. 5. Analog-Digital-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwellwertstufen (SWS1, SWS2) einen Schwellwertdiskriminator, in dem der Schwellwert eingestellt ist, enthalten, dem das Ausgangssignal des Integrators (INT) unmittelbar und über einen Inverter (INV) zugeführt ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0003840A2 (de) * 1978-02-24 1979-09-05 E.I. Du Pont De Nemours And Company Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen eines analogen Eingangssignales in ein digitales Ausgangssignal und Analog-Digital-Umsetzer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0003840A2 (de) * 1978-02-24 1979-09-05 E.I. Du Pont De Nemours And Company Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen eines analogen Eingangssignales in ein digitales Ausgangssignal und Analog-Digital-Umsetzer
EP0003840A3 (en) * 1978-02-24 1979-09-19 E.I. Du Pont De Nemours And Company Method of converting an input analog signal to an output digital signal and analog to digital converter

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