DE2626327B2 - Digitales, elektrisches Meßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein digitales, elektrisches Meßgerät nach dem Rückkopplungsprinzip, mit einem Komparator zum Vergleich einer Meßspannung mit einer Vergleichsspannung, einem von dem is Ausgang des Kornparators gesteuerten Eingang eines Zählers für Impulse eines Taktgenerators und einem an den Zähler angeschlossenen Digital-Analog-Wandler, an dessen Ausgang die den Zählerinhalt abbildende Vergleichsspannung anfällt.

Ein derartiges Meßgerät ist in dem Aufsatz »A High-Speed, Electronic Analog-To-Digital Encoder« von R. Platzek, H. F. Lewis, J. J. Mielke aus »Proceedings of the National Electronics Conference« Volume XV vom 12. bis 14. Oktober 1959, Seiten 182 bis 184, beschrieben.

In der Zeitschrift »Bull. SEV« 58 (1967), 15, 22. Juli, Seiten 677 bis 679, findet sich im Kapitel 6.2.6 eine Beschreibung eines Digitalvoltmeters, das mit einer Kombination von Spannungs-Frequenz-Umsetzung und dem Kompensationsprinzip arbeitet. Wesentlicher Bestandteil eines solchen Digitalvoltmeters ist ein Digital-Analog-Wandler, der beim Bekannten aus einem binären Spannungsteiler besteht, dessen umschaltbare Widerstände nach einem Binärcode abgestuft sind.

Demgegenüber soll beim Erfindungsgegenstand ein Digital-Analog-Wandler benutzt werden, dessen binärcodierte Widerstände in einen Summierungswiderstand nach dem Code veränderliche Ströme einprägen. Es wird hier also das Kompensationsprinzip nach Lindeck-Rothe verwendet. Das bekannte Digitalvoltmeter wandelt die analoge Eingangsspannung über einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer in einen Digitalwert um. Bei der Erfindung ist dagegen

ein Komparator vorgesehen, der einen Zählereingang steuert, dem eine Zählimpulsfolge fester Impulsfolgefrequenz zugeführt ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Aufwand für den Digital-Analog-Wandler in einem solchen Meßgerät sehr verringert werden kann, wenn der für die Messung bei passiven Meßobjekten benötigte Speisestrom aus der gleichen Quelle wie der für die Rückkopplung an den Komparator benötigte Strom benutzt wird. Schwankungen der Quelle wirken sich dann auf beide Seiten gleich aus und beeinträchtigen die Genauigkeit der Messung nicht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Digital-Analog-Wandler für ein digitales, elektrisches Meßgerät der eingangs beschrie-

e,o benen Art bereitzustellen, der auch die Energie für das Meßobjekt liefert.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem eingangs genannten Meßgerät durch die Kombination der im Anspruch 1 niedergelegten kennzeich-

_b5 nenden Merkmale gelöst.

Auf diese Weise werden beispielsweise bei Widerstandsmessungen ausschließlich die Widerstandswerte des Meßobjektes mit den abgestuften Widerständen

des Digital-Analog-Wandlers verglichen. Schwankungen der Spannungsquelle gehen nicht in die Messung ein.

Ein erweitertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich dazu eignet, Temperatun aessungen mit Hilfe temperaturempfindlicher Widerstände vorzunehmen und das mit unterdrücktem Nullpunkt arbeitet, zeichnet sich dadurch aus, daß ein zusätzlicher Widerstand an der gleichen SpannungsqusUe, die den Digital-Analog-Wandler und das Meßobjekt speist, ig liegt, der den Strom durch einen mit dem Summierungswiderstand in Reihe liegenden, einstellbaren Widerstand bestimmt und daß auch der Summierungswiderstand einstellbar ist

Zweckmäßig sind der den Strom für das Meßobjekt bestimmende Widerstand sowie der zusätzliche, den Strom durch den einstellbaren Widerstand bestimmende Widerstand durch Schalter an die Verbraucher anschließbar.

Mit Vorteil werden alle Schalter ak Transistoren eines einheitlichen Leitfähigkeitstyps ausgeführt, deren Basiselektroden parallel an der Spannungsquelle liegen und die über an ihren Emittern angeschlossene Dioden einzeln ansteuerbar sind. Zweckmäßig ist die Spannungsquelle mittels mindestens einer Zenerdiode stabilisiert.

Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zum Zweck, auch absolute Spannungen zu messen, die Basis-Emitter-Spannung der Schalttransistoren mittels einer in Reihe mit der gemeinsamen Basisspannung liegenden Basis-Emitter-Strecke eines Transistors von bezüglich des Leitfähigkeitstyps der Schalttransistoren umgekehrtem Leitfähigkeitstyp kompensiert.

An die Bitausgänge des Zählers sind Eingänge von js Speichern angeschlossen, in denen das Meßergebnis festgehalten wird und von denen es an Auswerte- oder Sichteinrichtungen weitergegeben werden kann. Ebenso sind die Bitausgänge des Zählers mit Eingängen eines Überlaufgatters verbunden, das bei Meßbereichsüberschreitungen verhindert, daß die Messung nicht abgeschlossen wird.

Die Erfindung wird anhand von vier Figuren erläutert.

Fig. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild dar.

In Fig. 2 ist der wesentliche Teil des Digital-Analog-Wandlers als Prinzipschaltbild dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung eines Ausführungsbeispiels für die Temperaturmessung mit Maßnahmen zur Nullpunktunterdrückung.

In Fig. 4 ist das Prinzipschaltbild eines Digital-Analog-Wandlers dargestellt, der sich für die Messung von absoluten Spannungswerten eignet.

In Fig. 1 sind als wesentliche Teile eines digitalen, elektrischen Meßgeräts nach dem Rückkopplungsprinzip ein Komparator VL, ein Taktgenerator TG, zwei Dekaden eines Zählers Z und ein Digital-Analog-Wandler DA in nachfolgend näher beschriebener Weise so miteinander verbunden, daß eine Differenz eo der Eingangsspannungen des !Comparators Vl so lange den Zähler Z für Impulse des Taktgenerators TG offenhält, bis der vom Digital-Analog-Wandler in eine Spannung übersetzte Speicherinhalt des Zählers Z die Differenz der Eingangsspannungen des !Comparators Vl ausgleicht. Der dann vorliegende Zählerinhalt ist ein Maß für die an einem Meßobjekt M anliegende Spannung, welche die eine Eingangsspannung des Xomparafeors Vl bildet. Das Meßobjekt M ist an eine Stromquelle H angeschlossen. Der Spannungsabfall am Meßobjekt M wird über einen Widerstand Al an eine der Eingangsklemmen des !Comparators Vl angelegt. Die andere Eingangsklemme des !Comparators ist über einen Widerstand Rl an einen Widerstand A3 angeschlossen, über den aus der Ausgangsklemme des Digital-Analog-Wandlers DA ein Strom nach Mass« fließt. Diese Eingangsklemme des !Comparators Vl ist auch über eine Zenerdiode Zl mit dem Ausgang des !Comparators verbunden. Der Ausgang des !Comparators ist an den einen von zwei Eingängen eines NAND-Gatters Gl angeschlossen. Der Ausgang des NAND-Gatters steht mit dem Eingang eines Inverters INI in Verbindung und liegt außerdem am Vorbereitungseingang eines Flip-Flops FFl. Die Ausgangsklemme des Taktgenerators TG ist über einen Inverter INI mit dem Zähleingang des Zählers Z verbunden. Außerdem liegt sie an Steuereingängen des Flip-Flops FFl und eines zweiten Flip-Flops FF2, dessen Vorbereitungseingang am Ausgang des Flip-Flops FFl liegt. An den gleichen Ausgang des Flip-Flops FFl ist der eine Eingang eines NAND-Gatters G2 angeschlossen. Dieser Ausgang des Flip-Flops FFl steht auch über einen Inverter IN3 mit dem Zähleingang des Zählers Z in Verbindung. Der zweite Eingang des NAND-Gatters Gl liegt am invertierten Ausgang des Flip-Flops FF2. Der nichtinvertierte Ausgang des Flip-Flops FF2 ist mit Rückstelleingängen der beiden Dekaden des Zählers Z verbunden. Der Ausgang des NAND-Gatters Gl ist über einen Inverter INA an Übernahmeeingänge eines zweidekadigen Ergebnisspeichers SP angeschlossen. Bitausgänge der beiden Dekaden des Zählers Z sind mit entsprechenden Eingängen der beiden Dekaden des Speichers SP verbunden. Ebenso liegen sie an entsprechenden Eingängen des Digital-Analog-Wandlers DA und an Eingängen eines der Überlaufkontrolle dienenden NAND-Gatters GA, dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang des NAND-Gatters Gl verbunden ist. An Bitausgängen des Speichers SP kann ein nicht dargestelltes Auswertegerät oder eine Anzeigeeinrichtung angeschlossen werden.

Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten digitalen Meßgerätes beruht, wie schon erwähnt, darauf, daß der Komparator Vl die Spannung am Meßobjekt M mit dem in eine Analogspannung umgewandelten Zählerstand des Zählers Z vergleicht. Der Taktgenerator TG erzeugt fortlaufend Rechteckimpulse, die über den Inverter INI in den Zähler Z eingezählt werden. Entsprechend dem wachsenden Zählerinhalt erzeugt der Digital-Analog-Wandler DA an seinem Ausgang eine ständig steigende Spannung. Ist die Spannung am Meßobjekt M und am Summierungswiderstand Rl· des Digital-Analog-Wandlers gleich, so schaltet der Komparator Vl auf log »0« an seinem Ausgang. Damit wechselt der Ausgangspegel des NAND-Gatters Gl auf log »1«, sperrt einerseits über den Inverter IN2 den Zählereingang und bereitet andererseits das Flip-Flop FFl vor. Mit der nächsten positiven Flanke eines Impulses des Taktgenerators TG kippt das Flip-Flop FFl. Damit wird der Ausgangspersl des NAND-Gatters Gl auf le£ »0« gebracht, und >omit werden über den Inverter INA die Übernahmletingänge des Speichers SP betätigt. Der Inhalt des Zählers Z steht daraufhin im Speicher SP. Die nächste positive Flanke eines Impulses des Taktgenerators TG läßt das durch das Flip-Flop

FFl vorbereitete Flip-Flop FF2 kippen. Damit wird das NAND-Gatter Gl wieder gesperrt, die Abspeicherung des Zählergebnisses ist abgeschlossen. Weiter bewirkt das gekippte Flip-Flop FF2 über entsprechende Rücksetzeingänge die Rückstellung der beiden Dekaden des Zählers Z. Die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers DA ist damit wieder auf Null zurückgegangen. Daraufhin wechselt der Ausgangspegel des Komparators Vl wieder auf log »1« und setzt damit die Flip-Flops FFl und FF2 zurück. Gleichzeitig wird über den Inverter INI der Zähleingang des Zählers Z wieder freigegeben. Der nächste Meßzyklus beginnt.

Die vom NAND-Gatter GA bewirkte Überlauf kontroüe ist notwendig, wenn der Meßbereich überschritten wird. In diesem Fall würde der Zählerstand - in die analoge Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers DA umgewandelt - nicht die Spannung am Meßobjekt erreichen. Die Messung könnte deshalb nicht beendet werden. Das NAND-Gatter GA schaltet deshalb, wenn der höchstmögliche Zählerstand erreicht ist. Der weitere Ablauf geht dann so vor sich, als hätte der Komparator Vl geschaltet.

In Fig. 2 ist ein Digital-Analog-Wandler dargestellt, der besonders geeignet ist für Messungen, bei denen es auf einen Widerstandsvergleich ankommt. Strombestimmende Widerstände RDl...RDn sind parallel an eine Spannungsquelle U gelegt. Die Widerstände RDl... RDn sind gemäß dem binären Zahlensystem abgestuft, sie können jedoch auch in jedem beliebigen anderen Code gestuft sein. Die Widerstände sind über die Emitter-Kollektor-Strecken von Transistoren 71... Tn in den Kompensationsstromkreis einschaltbar. Die von den Widerständen RDl... RDn eingeprägten Ströme werden über die Transistoren Ti... Tn über einen Summierungswiderstand RS geleitet. Dazu sind die Emitter der Transistoren jeweils mit den strombestimmenden Widerständen RdI... Rdn verbunden und die Kollektoren parallel an einen Summierungswiderstand RS angeschlossen. Der Spannungsabfall am Widerstand RS wird dann dem einen Eingang des Komparators Vl in Fig. 1 zugeführt. Die Transistoren Tl... Tn werden über Dioden Dl...Dn angesteuert, die an den Emittern der Transistoren liegen. Eingänge 1, 2, 4... η der Dioden sind mit entsprechenden Bitausgängen des Zählers Z der Fig. 1 verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren 71... Tn liegen parallel an einer durch Dioden DS und einen Widerstand RA auf ungefähr 2 Volt festgelegten Spannung. Zwei zusätzliche, ebenfalls an der Spannung U liegende Widerstände RM DJ». RIO dienen dazu, über Transistoren TAf und TiO Ströme für ein MeBobjekt bzw. für einen Widerstand zur Nullpunktunterdrückung in einem Meßkreis bereitzustellen.

Ein entsprechendes Blockschaltbild ist in Fig. 3 angegeben.

In Fig. 3 ist das Blockschaltbild einer Meßeinrich tung zur Temperaturmessung mit Nullpunktunter drückung dargestellt, und zwar nur in dem Umfang wie er zum Verständnis notwendig ist. Es ist dabe der Komparator Vl und der Digital-Analog-Wandle DA gezeigt und zwei Stromquellen IM und IO, dii den Widerstiindne RM und RIO nebst den Transisto ren TM und TIO der Fig. 2 entsprechen. Der den Inhalt des Zählers Z, an dessen Bitausgängen dii Biteingänge des Digital-Analog-Wandlers DA liegen entsprechende Ausgangsstrom des Digital-Analog Wandlers fließt über einen einstellbaren Abgriff eine; Widerstandes Pl nach Masse. Der Spannungsabfal an dem vom Strom durchflossenen Teilstück des Wi derstandes Pl liegt über einen weiteren, mit einen Abgriff versehenen Widerstand Pl und einen zusatz liehen Widerstand RS an dem einen Eingang dei Komparators Vl. Der andere Eingang des Kompara

tors Vl liegt über ef->en Widerstand Ä6 am Span nungsabfall über ein^n Widestand PT, der der Tem peraturmessung dient. Dieser Widerstand wird von Strom aus der Stromquelle IM durchflossen. De: Strom der Stromquelle IO durchfließt die Wider stände Pl und P2, Pl nur nach Maßgabe der Stellunj seines Abgriffes. Bei einem Strom 0 aus dem Digital Analog-Wandler DA wird der Komparator mittel· des abgleichbaren Widerstandes Pl und dem Span nungsabfall am temperaturempfindlichen Widerstanc PT, über den eine Temperatur gemessen werden soll beim Nullwert der Temperatur ins Gleichgewicht ge bracht. Dann wird der Ausgangsstrom des Digital Analog-Wandlers für den höchstmöglichen Meßwer eingestellt und der Komparator beim Höchstwert dei Temperatur, die auf den Widerstand PT einwirkt durch den Widerstand P2 abgeglichen. Auf dies« Weise steht für den erfaßten Temperaturbereich dei gesamte Meßbereich des digitalen Meßgerätes zui Verfügung.

In Fig. 4 ist ein Digital-Analog-Wandler dargestellt, der das mit ihm ausgerüstete digitale Meßgerä für absolute Spannungsmessungen tauglich macht. Ir der Anordnung der strombestimmenden Widerstände und der Schaittransistoren stimmt die Schaltung nact

Fig. 4 weitgehend mit der Schaltung nach Fig. ^ überein. Ein Unterschied besteht jedoch in der Stabilisierung der Spannung, an der die strombestimmen den Widerstände RDl...RDn liegen. Diese Span nung ist durch eine Zenerdiode ZDl stabilisiert, die

so über Widerstände RA und RB gespeist ist Eine an dere Einzelheit betrifft die Kompensation der Basis Emitter-Spannungen der Transistoren 71... Tn bzw deren Temperaturfehler. Sie wird dadurch erreicht daß dieser Spannung die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors TA entgegengeschaltet ist, der voi dem Leitfähigkeitstyp der übrigen Transistoren entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Digitales, elektrisches Meßgerät nach dem Rückkopplungsprinzip, mit einem Komparator zum Vergleich einer Meßspannung mit einer Vergleichsspannung, einem von dem Ausgang des !Comparators gesteuerten Eingang eines Zählers für Impulse eines Taktgenerators und einem an den Zähler für Impulse eines Taktgenerators und einem an den Zähler angeschlossenen Digital-Analog-Wandler, an dessen Ausgang die den Zählerinhalt abbildende Vergleichsspannung anfällt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) dei Digital-Analog-Wandler (DA) besteht aus parallel an einer Spannungsquelle (U) liegenden, über Schalter (Tl... Tn) wahlweise einzeln oder miteinander kombiniert in Reihe mit einem Summierungswiderstand (RS, PZ), an dem die Vergleichsspannung anfällt, schaltbaren, codiert abgestuften, stromprägenden Widerständen (RDl... RDn);

b) ein an der gleichen Spannungsquelle ( U) liegender, bezüglich der abgestuften Widerstände (RDl...RDn) gleichartiger Widerstand (RM) bestimmt einen ein Meßobjekt speisenden Strom.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Widerstand an der gleichen Spannung den Strom durch einen mit dem Summierungswiderstand (Pl) in Reihe liegenden, einstellbaren Widerstand (Pl) bestimmt und daß auch der Summierungswiderstand (P2) einstellbar ist.

3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Strom für das Meßobjekt bestimmende Widerstand (RM) sowie der zusätzliche, den Strom durch den einstellbaren Widerstand (Pl) bestimmende Widerstand (RIO) durch Schalter (ΓΛί bzw. TIO) an die Verbraucher (PT, Pl, Pl) anschaltbar sind.

4. Meßgerät nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schalter Transistoren (71... Tn) eines Leitfähigkeitstyps sind, deren Basiselektroden parallel an einer Spannungsquelle liegen und die über an ihren Emittern angeschlossene Dioden (Dl... Dn) einzeln ansteuerbar sind.

5. Meßgerät nach Anspruch i oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle mittels mindestens einer Zenerdiode (DS) stabilisiet ist.

6. Meßgerät nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer absoluten Spannungsmessung die basis-Emitter-Spannung der Schalttransistoren (71... Tn) mittels einer in Reihe mit ihrer gemeinsamen Basisspannung liegenden Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (TA) von bezüglich des Leitfähigkeitstyps der Schalttransistoren (71... Tn) umgekehrtem Leitfähigkeitstyp kompensiert ist.

7. Meßgerät nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Bitausgänge des Zählers (Z) entsprechende Biteingänge eines Speichers (5P) angeschlossen sind.

8. Meßgerät nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitausgänge des Zählers (Z) mit Eingängen eines Überlaufgatters (G4) verbunden sind.