DE2755038A1

DE2755038A1 - Analogkomparator

Info

Publication number: DE2755038A1
Application number: DE19772755038
Authority: DE
Inventors: Kenji Fujikata; Akinori Shibayama; Norio Yokozawa
Original assignee: Hitachi Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Hitachi Ltd Nippon Telegraph And Telephone Corp
Priority date: 1976-12-10
Filing date: 1977-12-09
Publication date: 1978-06-15
Also published as: DE2755038B2; FR2373818A1; GB1592507A; DE2755038C3; CA1081330A; JPS5372667A; FR2373818B1; US4161700A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analogkomparator zum Nachweis, ob eine Eingangsignalspannung eine vorbestimmte Ziel- bzw. gewünschte Spannung erreicht hat.

Es ist ein Analogkomparator dieses Typs bekannt, bei welchem eine bestimmte Schwellenspannung unter Inrechnungstellung der Verzögerungszeit der Schaltung eingestellt wird, nachgewiesen wird, daß eine Eingangssignalspannung mit einer gewissen Änderungsgeschwindigkeit eine Spannungsverschiebung um die vorgegebene Schwellenspannung von einer Zielspannung erreicht hat, und auf den Nachweis hin ein Koinzidenzzeitsignal, das wiedergibt, daß die Eingangssignalspannung die Zielspannung erreicht hat, geliefert wird.

In einem solchen Analogkomparator war die Schwellenspannung bisher festgelegt. Dabei trat ein Nachweisfehler hinsichtlich der Ankunftszeit an der Zielspannung beispielsweise bei einer Anwendung auf, wo die Änderungsgeschwindigkeit, d.h. der Anstieg der Eingangssicrr_it.lspannung, sich scharf ändert, oder bei einer Anwendung, wo die Änderung der Schwellenspannung, die einer Änderung der Umgebungstemperatur oder dem Zeitverlauf zuzuschreiben ist, ein Problem wird. Sei also im einzelnen angenommen, daß eine Eingangssignalspannung mit verhältnismäßig niedriger Änderungsgeschwindigkeit und eine Eingangssignalspannung mit verhältnismäßig hoher Änderungsgeschwindigkeit jeweils in den Analogkomparator, der eine bestimmte Schwellenspannung in Bezug auf die Zielspannung hat, eingeführt werden. In ersterem Fall erreicht die Eingangssignalspannung die Zielspannung in einer verhältnismäßig langen Zeit t_dl nach dem Durchlaufen der Schwellenspannung. In letzterem Fall erreicht sie die Zielspannung in einer ver-

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hältnismäßig kurzen Zeit t,-· Dementsprechend wird, wenn die Schwellenspannung so eingestellt ist, daß die Zeit t,.. gleich einer Schaltungsverzögerungszeit t, werden kann, das Koinzidenzsignal in ersterem Fall korrekt geliefert, wohingegen für den letzteren Fall die Lieferung des Koinzidenzsignals nachhängt. Deshalb tritt ein Nachweisfehler hinsichtlich der Zeit der Ankunft an der Zielspannung auf.

Infolge der Änderung der Umgebungstemperatur oder mit der Zeit ändert sich die Schwellenspannung, und der Nachweispunkt schwankt hin und her. Dementsprechend ergibt sich hierdurch in ähnlicher Weise ein Nachweisfehler hinsichtlich der Zeit der Ankunft an der Zielspannung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Analogkomparator zu schaffen, welcher in der Lage ist, genau die Zeit nachzuweisen, an der eine Eingangssignalspannung an einer Zielbzw, gewünschten Spannung angekommen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Analogkomparator vorgesehen wird, bei welchem eine Schwellenspannung entsprechend wenigstens der Anstiegsgeschwindigkeit der Eingangssignalspannung verändert wird, so daß die Zeit, in der die Eingangssignalspannung, die in einen Schwellenspannungsbereich eingetreten ist, die Zielspannung erreicht, unabhängig von der Eingangssignalspannung konstant ist.

im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. Auf dieser ist Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der

Erfindung,
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform des Analogkomparators gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Schaltbild, welches ein Beispiel des konkreten Aufbaus der Ausführungsform der FJg. 2 zeigt,

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Fig. 4 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise

der Schaltungsanordnung in Fig. 3,

Fig. 5 ein Schaltbild eines Beispiels, in welchem eine Schaltung zum Schreiben von Information Random-Access-Speichern des Schaltungsaufbaus der Fig. 3

zugefügt ist, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche die Beziehungen zwischen dem Schwellenwert und der Steigung eines Eingangssignals sowie der Umgebungstemperatur zeigt. Fig. 1 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips eines Analogkomparators gemäß der Erfindung.

In der Figur bezeichnen 2 und 3 Eingangsspannungen, die dem Komparator eingegeben werden und deren Änderungsgeschwindigkeiten sich voneinander unterscheiden.

Schwellenspannungen e. und e.■, die den Änderungsgeschwindigkeiten entsprechen, sind so eingestellt, daß beide Zeiten t und t,_, in denen die Eingangssignalspannungen 2 und 3, die in Bereiche zwischen Schwellspannungen, die im Komparator eingestellt und in der Figur schraffiert sind, eingetreten sind, jeweils eine Zielspannung 1 erreichen, der Verzögerungszeit t, des Komparators gleich werden. In dieser Weise wird der Komparator betrieben.

dE

Im einzelnen wird die Schwellenspannung e, mit (-rr) so verändert, daß die folgende Beziehung in Bezug auf die Eingangssignalamplitude E erfüllt ist:

<I> ■ t_d - ._t

Falls die Verzögerungszeit t, oder der Schwellenwert des Komparators infolge einer Änderung der Umgebungstemperatur usw. schwankt, sollte die Schwellenspannung e. zweckmäßigerweise so verändert werden, daß diese Schwankung kompensiert wird.

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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, welche ein Analogkomparator zum Nachweis dafür ist, daß eine Rampenfunktion deren Steigung beliebig eingestellt werden kann, eine bestimmte Spannung erreicht hat. Das heißt, die Tatsache, daß die durch eine Rampenfunktionsgeneratorschaltung 7 erzeugte Rampenfunktion einen Zielwert 11 erreicht hat, wird mit Hilfe einer Schwellenwerteinstellschaltung 8, die auf einen der Steigung der Rampenfunktion und der Umgebungstemperatur entsprechenden Schwellenwert eingestellt werden kann, und einer Vergleicherschaltung 9, deren Schwellenwert variabel ist, nachgewiesen. Mit 4 ist eine Zielwerteinstellschaltung zur Erzeugung der vorgegebenen Zielspannung 11, mit 5 eine Steigungssignalgeneratorschaltung zur Erzeugung eines Signals 12, welches die Steigung der Rampenfunktion angibt , und mit 6 eine Temperatursignalgeneratorschaltung zur gelegentlichen Feststellung der Umgebungstemperatur und Erzeugung eines Signals 13, welches die Temperatur angibt, bezeichnet.

Fig. 3 zeigt den Analogkomparator der Fig. 2 im einzelnen. Die Rampenfunktionsgeneratorschaltung 7 besteht aus einem Random-Access-Speicher (RAM) 71, welcher ein der Änderungsgeschwindigkeit der Rampenfunktion entsprechendes digitales Signal 74 erzeugt, indem er als eine Adresse das die Steigung der Rampenfunktion angebende digitale Signal 12 verwendet, aus einem Digital-Analogwandler (D/A-Wandler) 72, welcher das digitale Signal 74 in eine Analogspannung verwandelt, und aus einem Integrator 73, welcher zur Erzeugung der Rampenfunktion 10 mit der der Analogspannung 75 entsprechenden Steigung dient.

Die Schwellenwerteinstellschaltung 8 besteht aus einem Random-Access-Speicher 81, welcher ein dem Schwellenwert entsprechendes digitales Signal 72 erzeugt, indem er als eine Adresse das die Steigung angebende Signal 12 und das die Temperatur angebende Signal 13 verwendet, und aus einem

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Digital-Analogwandler (D/A-Wandler) 83, welcher das digitale Signal 82 in eine Analogspannung 14 verwandelt.

Die Vergleicherschaltung 9 besteht aus einem Differenzverstärker 91 zur Gewinnung eines Differenzsignals 92 zwisehen der Zielspannung 11 und der Rampenfunktion 10, aus einem Inverter 93 zur Gewinnung einer Schwellenspannung entgegengesetzter Polarität 94, aus Komparatoreinrichtungen und 96 zur Beurteilung, ob das Differenzsignal 92 zwischen die positiven und negativen Schwellenspannungen 14 und 94 eingetreten ist, und aus einem UND-Glied 99 zum Nehmen der UND-Funktion zwischen den Vergleichausgängen 97 und 98 der entsprechenden Komparatoreinrichtungen 95 und 96. Wenn das Differenzsignal 92 in den Schwellenspannungsbereich eingetreten ist, liefert die Vergleichschaltung 9 ein Koinzidenzzeitsignal 15. In Fig. 3 sind Daten-"Schreib"-Signale und Daten-"Schreib"-Steuersignale der Speicher 71 und 81 weggelassen.

Die Wirkungsweise des Schaltungsaufbaus der Fig. 3 wird nun unter Bezugnahme auf das Zeitdiagramm in Fig. 4 beschrieben.

(1) Die dem Steigungssignal 12 entsprechende Rampenfunktion 10 und der Zielwert 11 werden als Eingangssignale der Verglsichschaltung 9 eingegeben. Das Differenzsignal 92, die positive Schwellenspannung 14 und das negative Schwellenspannungssignal 94 nehmen dabei jeweils die in Fig. 4 auf dem Zeitdiagramm gezeigte Form an.

(2) Wenn die Rampenfunktion 10 in den schraffierten Bereich des Schwellenwerts am Zielwert eingetreten ist, fällt das Differenzsignal 92 in den Bereich zwischen dem positiven Schwellenwert 14 und dem negativen Schwellenwert 94. Die Ausgangssignale 97 und 98 der entsprechenden Komparatoreinrichtungen 95 und 96 beinhalten zeitliche Verzögerungen usw. und werden zu Nachweissignalen, die mit den gleichen

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Bezugszeichen bei (a) in Fig. 4 angegeben sind. Diese werden durch das UND-Glied 99 in das Koinzidenzzeitsignal 15 verwandelt, dessen Auftreten die Koinzidenzzeit der Rampenfunktion 10 mit dem Zielwert 11 angibt.

(3) In einem Fall, wo die Steigung der Rampenfunktion 10 steil wird, werden die Schwellenspannungen 14* und 94' in e ' und -e ', wie bei (b) in Fig. 4 gezeigt, ausgedehnt, wodurch die Ausgabe eines Koinzidenzzeitsignals 15' zu der Zeit entsteht, zu der eine Rampenfunktion 10' mit einem Zielwert 11' nach der Verzögerungszeit des Komparators zusammengefallen ist.

Auf diese Art wird das Steigungssignal 12 entsprechend der Änderung der Steigung der Rampenfunktion geändert. Auf diese Weise wird es möglich, das Koinzidenzzeitsignal korrekt herauszunehmen.

Bei der vorstehenden Ausführungsform wurde als Beispiel dargelegt, beide Schwellenwerte, den positiven und negativen, + e, und -e. für den Zielwert einzustellen. In einem Fall jedoch, wo die Richtung der Zunahme eines Eingangssignals in eine bestimmte Richtung festgelegt ist, kann einer der beiden Schwellenwerte eingestellt werden.

Fig. 5 zeigt einen Schaltungsaufbau, bei welchem die "Schreib"-Funktion den RAM's 71 und 81 der Ausführungsform der Fig. 3 zugefügt ist. Sie dient dazu klarzumachen, wie der Schwellenwert auf die Änderung der Steigung der Rampenfunktion oder die Änderung der Umgebungstemperatur hin bestimmt.

(a) Zunächst werden die optimalen Schwellenspannungen e(v, T), die eine Schaltungsverzögerung in Rechnung stellen, wenn sich die Steigung ν der Rampenfunktion und die Umgebungstemperatur T geändert haben, vorweg in einem erwarteten Arbeitsbereich berechnet. Das Resultat ist in Fig. 6 darge-

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stellt. Auf der Grundlage des Resultats wird eine Tabelle e(v , T) aus herausgegriffenen Werten der optimalen Schwellenspannungen, wie sie durch O in Fig. 6 markiert sind, hergestellt. Im Beispiel der Fig. 6 nimmt m die Warte von 1 bis 4 und η die Werte von 1 bis 3 an, und es ergeben sich insgesamt 12 Setzpunkte von herausgegriffenen Werten. Wenn die betrachtete Änderungsgeschwindigkeit oder Umgebungstemperatur sich kontinuierlich ändert, kann sie in einer bestimmten Einheit quantisiert werden, und die entsprechenden Einheitsgrößen können zu den herausgegriffenen bzw. Probenwerten gemacht werden.

(b) Der Random-Access-Speicher zur Angabe von Schwellenwerten 81 wird hergerichtet, dessen Adressensignale die Setzpunkte (m, n) der Steigung und der Temperatur sind und dessen Inhalt e(v , T) ist. Konkret gesprochen, werden m und η als die Adresseneingangsgrößen 12 bzw. die Adresseneingangsgrößen 13 für den Random-Access-Speicher 81 eingegeben, e(v , T ) wird als ein Dateneingangssignal 84 eingegeben und ein "Schreib"-Freigabesignal 85 eingeschaltet, wodurch die Tabelle von Schwellenwerten in den Random-Access-Speicher 81 geschrieben wird.

Der Random-Access-Speicher zur Angabe der Steigungen 71 wird ähnlich in einer Weise hergerichtet, daß m als Adressensignal 12 und ν als Eingangsdaten 76 eingegeben werden und daß ein "Schreib"-Freigabesignal 77 eingeschaltet wird.

Dann werden die Anordnungen zur Verwendung der RAM's 71 und 81 gemacht.

(c) Um die Schwellenspannung entsprechend Steigung und Temperatur zu erhalten, werden m und η als die Adresseneingangssignale 12 bzw. 13 des Random-Access-Speichers zur Angabe der Schwellenwerte 81 eingegeben. Auf diese Weise kann die Schwellenspannung e(v , T ) am Ausgang 82 als binäres Signal geliefert werden. Durch Eingabe des binären Signals

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in den D/A-Wandler 83 läßt sich die analoge Schwellenspannung d(v , T ) als Ausgangssignal 14 erhalten .

Andererseits wird m als Adresseneingangssignal 12 in den Adressenanschluß des Random-Access-Speichers zur Angabe der Steigungen 71 eingegeben. Auf diese Weise läßt sich ein der Steigung entsprechendes binäres Signal als Ausgangssignal 74 gewinnen. Durch Eingabe des binären Signals in den D/A-Wandler 72, kann die Analogspannung zur Angabe der Steigung als Ausgangssignal 75 gewonnen werden. Diese Spannung wird zum Eingangssignal für den die Rampenfunktion erzeugenden Integrator 73, und die die angegebene Steigung aufweisende Rampenfunktion kann erzeugt werden.

Auf diese Weise kann der Schwellenwert des Komparators leicht entsprechend der Steigung der Rampenfunktion und der Umgebungstemperatur verändert werden. Dementsprechend ist selbst in Fällen, wo die Steigung der Rampenfunktion häufig verändert wird oder wo sich die Verzögerungszeit eines Elements infolge einer Änderung der Umgebungstemperatur ändert, eine Steuerung des Schwellenwertes allein durch elektrische Veränderung von Parametern (beispielsweise von m und η in der Erläuterung der Fig. 5) möglich, und sie kann gut mit beispielsweise einem Rechner durchgeführt werden. Mit dem Vorhandensein einer Parameteränderung in der Schaltung, die im Laufe der Zeit vor sich geht, wird man fertig, indem e(v , T ) neuerlich in den Random-Access-Speicher 81 geschrieben wird, wobei eine Änderung der Hardware nicht notwendig ist.

In obigem wurde der Fall beschrieben, wo ein bestimmter Wert als Geschwindigkeitsänderung eines Signals eingestellt wird. Im allgemeinen ist es jedoch möglich eine bestimmte Geschwindigkeit aus einer erzeugten Funktion festzustellen und sie zu verwenden.

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Wie oben dargelegt, wird es durch die Erfindung möglich, einen Analogkomparator bereitzustellen, der zu einem präzisen Pegelnachweis selbst bei Vorhandensein einer Änderung der Steigung eines Eingangssignals, einer Änderung der Umgebungstemperatur, einer Parameteranderung im Laufe der Zeit usw. in der Lage ist. Zu den konkreten Verwendungsmöglichkeiten gehören Anwendungen auf eine graphische Anzeige, eine Musterzeichenvorrichtung und ein Meßinstrument, bei welchen ein Elektronenstrahl exakt auf einen Zielpunkt gesetzt werden muß. Die Erfindung dient dazu, die Leistung3-fähigkeit solcher Apparaturen zu steigern.

Ki/fg

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE SCHIFF v. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2*3, MÖNCHEN 9O ' J *7 C *~ Π Ο β POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95 £ I .J ^ -J j Q HITACHI, LTD. und NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE PUBLIC CORPOiUTION DA-5543 9. Dezember 1977 Analogkomparator PATENTANSPRÜCHE

1. Analogkomparator, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines Eingangssignals mit einer bestimmten Änderungsgeschwindigkeit/ eine zweite Einrichtung zum Setzen eines gewünschten Zielsignals (11)» eine dritte Einrichtung zum Setzen eines Schwellensignals (14), welches wenigstens der Änderungsgeschwindigkeit zugeordnet ist, und eine vierte Einrichtung zum Empfang der Signale der ersten bis dritten Einrichtung und zur Abgabe eines bestimmten Zeitsignals (15) mit dem Nachweis, daß das Eingangssignal einen Wert erreicht hat, der entsprechend dem Pegel des Schwellensignals vom Pegel des Zielsignals verschoben ist.

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2. Analogkomparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Einrichtung eine Einrichtung zum Setzen des Schwellensignals (14) entsprechend der Änderungsgeschwindigkeit und einer Umgebungstemperatur, ist.

3. Analogkomparator, gekennzeichnet , durch eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines eine Steigung einer gewünschten Rampenfunktion (10) wiedergebenden Signals, eine zweite Einrichtung zur Erzeugung einer Rampenfunktion mit einer Steigung entsprechend dem Signal der ersten Einrichtung, eine dritte Einrichtung zum Setzen eines gewünschten Zielsignals (11), eine vierte Einrichtung zum Setzen eines Schwellensignals (14) entsprechend wenigstens dem Signal der ersten Einrichtung, und eine fünfte Einrichtung zum Empfang der Signale der ersten bis vierten Einrichtung und zur Ausgabe eines bestimmten Zeitsignals auf den Nachweis, daß die Rampenfunktion einen Wert erreicht hat, der vom Pegel des Zielsignals um den Pegel des Schwellensignals verschoben ist.

4. Analogkomparator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine sechste Einrichtung zur Erzeugung eines Signals entsprechend einer Umgebungstemperatur vorgesehen ist und daß die vierte Einrichtung eine Einrichtung zum Setzen des Schwellensignals entsprechend den Signalen der ersten und sechsten Einrichtung ist.

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5. Analogkomparator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen Random-Access-Speicher (71), der das Signal von der ersten Einrichtung als Adresse empfängt und ein entsprechendes digitales Signal abgibt, einen Wandler (72), welcher das digitale Signal des Speichers in ein analoges Signal umwandelt, und einen Integrator (73) , welcher das Ausgangssignal des Wandlers integriert, umfaßt.

6. Analogkomparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die vierte Einrichtung einen Random-Access-Speicher (81), welcher die Signale der ersten und sechsten Einrichtungen als Adresse empfängt und ein entsprechendes digitales Signal abgibt, und einen Wandler (83), welcher das Ausgangssignal des Speichers in ein analoges Signal umwandelt, umfaßt.

7. Analogkomparator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die fünfte Einrichtung einen Differenzverstärker (91), welcher eine Differenz zwischen der von der zweiten Einrichtung kommenden Rampenfunktion (10) und dem von der dritten Einrichtung kommenden Zielsignal (11) liefert, einen Inverter (93), welcher das von der vierten Einrichtung kommende Schwellensignal (14) invertiert, eine erste Vergleichereinrichtung (96) zur Lieferung eines

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Ausgangssignals, wenn eine Differenz zwischen dem Ausgangssignal (92) des Differenzverstärkers und dem Ausgangssignal des Inverters positiv ist, eine zweite Vergleichereinrichtung (95) zur Lieferung eines Ausgangssignals, wenn eine Differenz zwischen dem Schwellensignal (14) und dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers positiv ist, und ein UND-Glied (99), welches eine UND-Funktion zwischen den Ausgängen der ersten und zweiten Vergleichereinrichtung nimmt, umfaßt.

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