DE2626327C3 - 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 Ausgang des Komparators 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 Meßgeiät 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 beschriebenen 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 kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Auf diese Weise werden beispielsweise bei Widerstandsmessungen ausschließlich die Widerstanciswerte 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, Temperaturmessungen mit Hilfe temperaturempfindlicher Widerstände vorzunehmen und das mit unterdrücktem Nullpunkt arbeitet, zeichnet sich dadurch aus, daß ein zusätzlicher Widerstand an der gleichen Spannungsquelle, die den Digital-Analog-Wandler und das Meßobjekt speist, liegt, der ctn 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 als 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-Stre:ke eines Transistors von bezüglich des Leitfähigkeitstyps der Schalttransistoren umgekehrtem Leitfähigkeitstyp kompensiert.

An die Bitausgänge des Zählers sind Eingänge von 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 der Eingangsspannungen d?·; Komparators 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 Komparators Vl ausgleicht. Der dann vorliegende Zählerinhalt ist ein Maß für die an einem Meßobjekt M anliegende Spannung, welche die eine Eingangsspannung des Komparators Fl bildet. Das Meßobjekt M ist an eine Stromquelle /2 angeschlossen. Der Spannungsabfall am Meßobjekt Ai wird über einen Widerstand Al an eine der Eingangsklemmen des Koniparators Vl angelegt. Die andere Eingangsklemme des Komparators ist über einen Widerstand R2 an einen Widerstand A3 angeschlossen, über den aus der Ausgangsklemme des Digital-Analog-Wandlers DA ein Strom nach Masse fließt. Diese Eingangsklemme des Komparators Vl ist auch über eine Zenerdiode Zl mit dem Ausgang des Komparators verbunden. Der Ausgang des Komparators ist an den einen von zwei Eingängen eines NAND-Gatters Gl angeschlossen. Der Ausgang des NAND-Gatters steht

is mit dem Eingang eines Inverters INI in Verbindung und liegt außerdem am Vorbereitungseingang eines Flip-Flops FiI. 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 G2 liegt am invertierten Ausgang des Flip-Flops FF2. Der nichtinvertierte Ausgang des Flip-Flops FF2 ist mit Rück-

jo Stelleingängen der beiden Dekaden des Zählers Z verbunden. Der Ausgang des NAND-Gatters G2 ist über einen Inverter IN4 an Übernahmeeingänge eines zweidekadigen Ergebnisspeichers SP angeschlossen. Bitausgänge der beiden Dekaden des Zählers Z sind

r> 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.
DieWirkungswe^;sedesinFig. 1 dargestellten digi-

Vi talen 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 Rechteckim-

-lO pulse, 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 R3 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

Mi und bereitet andererseits das Fiip-Flop FFl vor. Mit der nächsten positiven Flanke eines Impulses des Taktgenerators TG kippt das Flip-Flop FFl. Damit wird der Ausgangspegel des NAND-Gatters G2 auf log /. 0« gebracht, und somit werden über den Inverter

hi /Λ/4 die Übernahmeeingänge 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 FFI kippen. Damit wird das NAND-Gatter Gl wieder gesperrt, die Abspeicherung des Zählergebnisses ist abgeschlossen. Weiter bewirkt das gekippte Flip-Flop FFZ über entsprechende Rücksetzeingänge die Rückstellung der beiden Dekaden ι. s Zählers Z. Die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers DA ist damit wieder auf Null zurückgegangen. Daraufhin wechselt der Ausgangspegel des !Comparators Vl wieder auf log »1« und setzt damit die Flip-Flops FFl und FFl zurück. Gleichzeitig wird über den Inverter INI der Zähleingang des Zählers Z wieder freigegeben. Der nächste Meßzyklus beginnt.

Die vom NAND-Gatter G4 bewirkte Uberlaufkontroüe ist notwendig, wenn der Meßbereich überschritten wird. In diesem Fall würde der Zählerstand - in die analoge Ausgangsspannung des Digital-Ana-Iog-Wandlers DA umgewandelt - nicht die Spannung am Meßobjekt erreichen. Die Messung könnte deshalb nicht beendet werden. Das NAND-Gatter G4 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 Tl... Tn in den Kompensationsstromkreis einschaltbar. Die von den Widerständen RDl... RDn eingeprägten Ströme werden über die Transistoren 71... 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 ÄS 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 bzw. RIO dienen dazu, über Transistoren TM und TIO Ströme für ein Meßobjekt bzw. für einen Widerstand zur Nullpunktunterdrückung in einem Meßkreis bereitzuzstellen.

Ein entsprechendes Blockschaltbild ist in Fig. 3 angegeben.

In Fig. 3 ist das Blockschaltbild einer Meßeinrichtung zur Temperaturmessung mit Nullpunktunterdrückung dargestellt, und zwar nur in dem Umfang, wie er zum Verständnis notwendig ist. Es ist dabei der Komparator Vl und der Digital-Analog-Wandler DA gezeigt und zwei Stromquellen IM und IO, die den Widerständne RM und RIO nebst den Transistoren TM und TIO der Fig. 2 entsprechen. Der dem

to Inhalt des Zählers Z, an dessen Bitausgängen die Biteingänge des Digital-Analog-Wandlers DA liegen, entsprechende Ausgangsstrom des Digital-Analog-Wandlers fließt über einen einstellbaren Abgriff eines Widerstandes Pl nach Masse. Der Spannungsabfall

! 5 an dem vom Strom durchflosser.en Teilstück des Widerstandes Pl liegt über einen weiteren, mit einem Abgriff versehenen Widerstand Pl und einen zusätzlichen Widerstand RS an dem einen Eingang des Komparators Vl. Der andere Eingang des Komparators Vl liegt über einen Widerstand /?6 am Spannungsabfall über einen Widestand PT, der der Temperaturmessung dient. Dieser Widerstand wird vom Strom aus der Stromquelle IM durchflossen. Der Strom der Stromquelle IO durchfließt die Widerstände Pl und Pl, Pl nur nach Maßgabe der Stellung seines Abgriffes. Bei einem Strom 0 aus dem Digital-Analog-Wandler DA wird der Komparator mittels des abgleichbaren Widerstandes Pl und dem Spannungsabfall am temperaturempfindlichen Widerstand PT, über den eine Temperatur gemessen werden soll, beim Nullwert der Temperatur ins Gleichgewicht gebracht. Dann wird der Ausgangsstrom des Digital-Analog-Wandlers für den höchstmöglichen Meßwert eingestellt und der Komparator beim Höchstwert der Temperatur, die auf den Widerstand PT einwirkt, durch den Widerstand Pl abgeglichen. Auf diese Weise steht für den erfaßten Temperaturbereich der gesamte Meßbereich des digitalen Meßgerätes zur Verfügung.

In Fig. 4 ist ein Digital-Analog-Wandler dargestellt, der das mit ihm ausgerüstete digitale Meßgerät für absolute Spannungsmessungen tauglich macht. In der Anordnung der strombestimmenden Widerstände und der Schalttransistoren stimmt die Schaltung nach Fig. 4 weitgehend mit der Schaltung nach Fig. 2 überein. Ein Unterschied besteht jedoch in der Stabilisierung der Spannung, an der die strombestimmenden Widerstände RDl...RDn liegen. Diese Spannung ist durch eine Zenerdiode ZDl stabilisiert, die

so über Widerstände RA und RB gespeist ist. Eine andere 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 von 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 Komparators gesteuerten Eingang eines Zählers für Impulse eines Taktgenerators und einem an den Zähler für Impulse eines Taktgenerators und ι ο einem an den Zähler angeschlossenen Digital-Analog-Wandler, an dessen Ausgang die den Zählerinhalt abbildende Vergleichsspannung anfällt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der 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, P2), 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 ge- jo kennzeichnet, daß ein zusätzlicher Widerstand an der gleichen Spannung den Strom durch einen mit dem Summierungswiderstand (P2) in Reihe liegenden, einstellbaren Widerstand (Pl) bestimmt und daß auch der Summierungswiderstand (P2) r> 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 ( TM bzw. TlO) an die Verbraucher (PT, Pl, P2) anschaltbar sind.

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

5. Meßgerät nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle mittels mindestens einer Zenerdiode (DS) stabilisiert ist.

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

7. Meßgerät nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekenn- h^r> zeichnet, daß an die Bitausgänge des Zählers (Z) entsprechende Biteingänge eines Speichers (SP) angeschlossen sind.

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