DE2755492C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ausganges, der eine digitalisierte Form des Zeitintegrals von Daten ist, die durch einen variablen elektrischen Strom dargestellt werden.

Es sind Schaltungsanordnungen bekannt, durch die Daten, die durch einen variablen elektrischen Strom gegeben sind, digitalisiert werden können und diese können sowohl für Wechselstrom als auch für Gleichstrom verwendet werden. Ein begrenzender Faktor ist die maximale Rate der Änderung des Stromes bezüglich der Abtastrate des Analog/ Digital-Umformers, der normalerweise verwendet wird. Um diese Begrenzung zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, den Strom zur Ladung eines Kondensators zu benutzen und die Spannung am Konden­ sator in der normalen Weise zu digitalisieren. In solchen Schal­ tungen ist es notwendig, Einrichtungen vorzusehen, um den Konden­ sator in Intervallen zu entladen und dies kann zu Fehlern führen, wenn eine sehr genaue Digitierung erforderlich ist.

Aus der DE-OS 23 30 090 ist ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer bekannt, der einen Miller-Integrator aufweist. Derartige Integratoren, die aus einem Verstärker und einem Kondensator bestehen, können zur Digitalisierung von Analogsignalen verwendet werden.

Nachteilig hierbei ist jedoch, daß diese Integratoren auf sehr schnelle Änderungen des Stromes nicht ansprechen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung der obengenannten Art zu schaffen, die einen hohen Genauigkeits­ grad hat und auf sehr schnelle Stromänderungen anspricht.

Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch einen Kondensator, an den ein variabler Gleichstrom anlegbar ist, der proportional zum momentanen Wert einer variablen Größe ist, einen Pufferverstärker, dessen einer Eingang an den Kondensator gelegt ist, eine Bezugsstufe, die an den Ausgang des Pufferverstärkers geschaltet ist, zur Bestimmung oberer und unterer Spannungspegel, und die auf die Spannung am Kondensator anspricht, um ein erstes Steuersignal abzugeben, wenn diese Spannung den oberen Spannungspegel erreicht, und um ein zweites Steuersignal abzugeben, wenn die Spannung den unteren Spannungspegel erreicht, eine Ladeein­ richtung, die auf jedes der beiden Steuersignale anspricht, um an den Kondensator einen Impuls einer bekannten konstanten Ladung in solcher Richtung anzulegen, daß die Spannung am Kondensator sich auf einen Wert in der Nähe des Spannungspegels ändert, der Ursache des anderen Steuersignals war, ferner durch einen Zähler zum Zählen der Anzahl und der Polarität der Ladungsimpulse, die durch die Ladeein­ richtung an den Kondensator angelegt werden, einen Analog/Digital- Umformer, der an den Ausgang des Pufferverstärkers gelegt ist, zum Abtasten der Spannung am Kondensator mit einer Rate derart, daß das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen größer ist als die Dauer eines Ladungsimpulses und durch einen Addierkreis zum Zusammen­ fassen des Ausganges des Zählers mit dem momentanen Ausgang des Analog/ Digital-Umformers.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung in Form eines Blockdiagrammes zeigt.

Fig. 2 zeigt ein Detail von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Fig. 4 zeigt die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach den Fig. 1 und 2.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Referenzschaltung.

Fig. 1 zeigt einen Schaltkreis zur Ableitung einer digitalen Darstellung einer Geschwindigkeit von einem analogen Eingang, der eine Beschleunigung darstellt.

Der Eingang zum Schaltkreis ist ein Strom i, der zu jedem Zeitpunkt proportional zur Stärke der Beschleunigung ist, die durch einen Beschleunigungsmesser gemessen worden ist. Dieser Strom wird an einen Kondensator 10 gelegt, der zwischen Eingang und Erde geschaltet ist. Mit dem Konden­ sator ist ferner ein Pufferverstärker 11 mit hoher Ein­ gangsimpedanz verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 11 ist an eine Bezugsschaltung oder Bezugsstufe 12 gelegt. Diese Bezugsstufe ist so ausgebildet, daß sie obere und untere Spannungspegel definiert und ein geeignetes Steuer­ signal oder Kontrollsignal abgibt, immer wenn die Spannung am Kondensator 10 einen dieser Spannungspegel überschreitet. Das Kontrollsignal zeigt an, welcher Spannungspegel er­ reicht worden ist. Der Ausgang der Bezugsstufe 12 ist über einen Schaltkreis 13 an einen Konstantstromgenerator 14 gelegt, wobei die beiden letztgenannten Einrichtungen die Ladeeinrichtung nach der Erfindung bilden. Der Ausgang des Konstantstromgenerators 14 ist über einen Schalter 15 mit dem Kondensator 10 verbunden. Ein zweiter Ausgang des Generators 14, der den Richtungssinn jedes Ausgangsstromes angibt, ist an einen Zähler 16 gelegt.

Der Ausgang des Verstärkers 11 ist ferner an einen Analog/ Digital-Umformer 17 gelegt, der den Ausgang des Verstärkers abtastet. Vorzugsweise erfolgt diese Abtastung mit einer festen Rate oder Geschwindigkeit, so daß die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen größer ist als die Dauer eines Ladeimpulses. Ferner muß die Abtastung gesperrt wer­ den während ein Ladeimpuls effektiv angelegt wird. Die In­ halte des Zählers 16 und die Ausgänge des Umformers 17 werden durch eine Addierschaltung 18 addiert, um einen digitalen Ausgang abzugeben, der das Gesamtzeitintegral der Eingangs­ beschleunigung anzeigt, d. h. die Geschwindigkeit im Falle eines Trägheitssystemes. Dies wird in einem Speicher 19 ge­ speichert und wenn gewünscht, kann es weiter integriert werden, um ein Maß für die durchlaufende Entfernung anzu­ geben.

Der Schaltkreis 13 und der Konstantstromgenerator 14 sind in Fig. 2 im Detail dargestellt.

Gemäß Fig. 2 umfaßt der Konstantstromgenerator einen NPN Tran­ sistor T, dessen Emitter an eine Potential -V gelegt ist und dessen Kollektor eine Ausgangsklemme X des Konstantstrom­ generators bildet. Die andere Klemme Y ist über einen Wider­ stand R an ein Potential +V gelegt. An demselben Potential liegt ferner ein Bezugs-Spannungsteiler, der aus einer Null-Bezugs-Diode Z und einem Widerstand besteht. Der Ver­ bindungspunkt zwischen der Zenerdiode und dem Widerstand ist an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 50 gelegt, der als Komparator arbeitet. Der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers ist an die Klemme Y des Konstant­ stromgenerators gelegt. Der Komparator 50 hat einen negativen Rückkopplungswiderstand, der zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang geschaltet ist und sein Aus­ gang ist an die Basis des Transistors T gelegt. Der übrige Teil der Fig. 2 zeigt das Schaltungsnetzwerk nach Fig. 1.

Ein Schalter 15 ist vorgesehen, der durch einen Transistor gebildet wird, dessen Basisstrom über einen FET (Feldeffekt­ transistor) für schnellen Betrieb zugeführt wird. Der Schal­ ter 15 ist an eine der Ausgangsklemme des Konstantstrom­ generators gelegt, die hier als Klemme Y dargestellt ist, und Paare von Schaltern 23 und 24, 22 und 25, sind zwischen den Schaltern 15 und die andere Klemme X geschaltet, wie darge­ stellt. Der gemeinsame Punkt der Schalter 23 und 24 ist an Erdpotential gelegt, während derjenige der Schalter 22 und 25 mit dem Kondensator 10 verbunden ist.

Die Schalter 15 und 22 bis 25 können durch eine einfache Zeitschaltung betätigt werden, die auf das Steuersignal anspricht, das von der Bezugsstufe 12 geliefert wird. Das erste Steuersignal veranlaßt die Tätigkeit von einem Paar Schalter 22 und 23 oder 24 und 25. Wenn das gewählte Schalterpaar geschlossen hat, wird der Schalter 15 über eine feste bekannte Zeitspanne geschlossen und dann ge­ öffnet. Schließlich öffnet auch das gewählte Schalterpaar. Das andere Steuersignal hat dieselbe Wirkung, außer daß das andere Schalterpaar verwendet wird.

Der Konstantstromgenerator arbeitet in solcher Weise, daß der Spannungsabfall am Widerstand R infolge des durch ihn fließenden Stromes verglichen wird mit der Spannung an der Zenerdiode Z mit Hilfe des Komparators 50. Irgendeine Differenz führt zu einer Änderung im Ausgang des Komparators und damit im Basisstrom des Transistors T. Der Schaltkreis arbeitet somit, um den Strom durch den Widerstand R auf einem konstanten Wert zu halten. Die Zenerdiode 21 ist er­ forderlich, um den Konstantstrom durchzulassen wenn der Schalter 15 offen ist. Die Richtung des Stromflusses während der Ladung ist so, daß die Kondensatorspannung weg von dem Spannungspegel bewegt wird, auf den das Steuer­ signal zurückgeht und zwar in Richtung auf den anderen Spannungspegel.

Wenn bei einer Anordnung, bei der der eben beschriebene Konstantstromgenerator verwendet wird, mehr als ein Konden­ sator durch separate veränderliche Ströme geladen wird, dann kann der eine Konstantstromgenerator zeitanteilig zwischen den verschiedenen Kondensatoren aufgeteilt wer­ den. Fig. 2 zeigt gestrichelt einen zweiten Kondensator 10′ sowie Schalter 22′ und 25′. Die Schalter 15, 23 und 24 sind gemeinsam.

Fig. 3 zeigt die Spannung am Kondensator während des Be­ triebs der oben beschriebenen Schaltung. Der obere Spannungs­ pegel Vu und der untere Spannungspegel Vl, beide fest und durch die Bezugsstufe begrenzt, sind beide als positiv dargestellt. Es wird angenommen, daß der an den Konden­ sator angelegte Strom konstant ist. Die Spannung am Konden­ sator stellt das Zeitintegral über den Beschleunigungs­ eingang dar.

Anfangs hat die Spannung am Kondensator z. B. den Wert Vo. Infolge des an den Kondensator angelegten Stromes i steigt seine Spannung linear an bis sie den oberen Spannungspegel Vu am Punkt A erreicht. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die Bezugsstufe ein Kontrollsignal oder Steuersignal, welches anzeigt, daß der obere Spannungspegel erreicht worden ist. Hierdurch wird der Schalter 15 und das entsprechende Paar der Schalter 22 und 23, oder 24 und 25, des Schaltnetzwerkes veranlaßt, über eine bekannte Zeitspanne zu schließen. Eine bekannte Ladung wird vom Konstantstromgenerator auf den Kondensator übertragen, in solcher Richtung, daß die Spannung am Kondensator in Richtung auf den unteren Pegel Vl reduziert wird. Es ist nicht notwendig, die Kondensator­ spannung exakt auf den Pegel Vl zu reduzieren, da die über­ tragene Ladung bekannt ist aus der Dauer und der Stärke des Konstantstromes. Die Spannung am Kondensator fällt somit auf einen Wert, der mit dem Punkt B angegeben ist. Die Zeit für die Übertragung der Ladung ist sehr klein. Wenn der ange­ legte Strom konstant bleibt, so hat die Spannung am Kondensator eine Wellenform, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Jedesmal wenn eine Übertragung einer Ladung auf den Kondensator erfolgt, erzeugt der Konstantstromgenerator einen Signalimpuls, der vom Zähler 16 nach Fig. 1 gezählt wird, wobei der Signal­ impuls auch die Polarität der Ladungsübertragung anzeigt und eine grobe Zunahme des Integrals des Beschleunigungs- Einganges darstellt.

Der Analog/Digital-Umformer 17 nach Fig. 1 tastet die Spannung am Kondensator in regelmäßigen Intervallen ab, mit einer Rate, die langsamer ist als die Zeit, die ver­ wendet wird, um die Übertragung der Ladung zu bewirken. Der momentane Ausgang des Umformers stellt die feine Zu­ nahme des Integrals des Beschleunigungs-Einganges dar. Zwischen dem Beginn der Wellenform nach Fig. 3 und dem Punkt A kann die Spannung am Kondensator direkt gemessen werden. Zwischen den Punkten B und C ist der wahre Wert der Spannung derjenige, der am Kondensator gemessen wird plus dem Spannungsabfall zwischen den Punkten A und B. Daher ist zu jedem Zeitpunkt der wahre Wert der Spannung der­ jenige, der durch den Analog/Digital-Umformer gemessen worden ist plus der Summe der Spannungsänderung entsprechend der Gesamtzahl der Ladungsübertragungen, das ist die Summe aller großen Zunahmen plus der momentanen feinen Zunahme des Integrals des Beschleunigungs-Einganges.

In der Praxis ist der an den Kondensator angelegte Strom nicht konstant und er kann sehr schnell sowohl hinsichtlich der Richtung als auch der Größe variieren. Wenn die Richtung des Stromes derart ist, daß die Spannung am Kondensator auf den unteren Spannungspegel Vl fällt, dann hat die Ladungsübertragung von dem Konstantstromgenerator eine solche Richtung, daß die Spannung am Kondensator um denselben bekannten Betrag in Richtung auf die obere Spannungsgrenze Vu zunimmt. Häufig liegen der obere und der untere Spannungs­ pegel auf beiden Seiten des Erdpotentials.

Fig. 4 zeigt den Betrieb der Schaltung nach Fig. 1 wenn der angelegte Strom sowohl hinsichtlich der Richtung als auch der Stärke sich verändert.

Es wird angenommen, daß an einem Punkt der Körper, an dem der Beschleunigungsmesser angebracht ist, sich mit konstanter Beschleunigung bewegt. Der an den Kondensator angelegte Strom ist daher konstant und der Kondensator wird linear aufge­ laden. Wenn die Spannung am Kondensator den oberen Spannungs­ pegel Vu erreicht, im Punkt D, erfolgt ein Transfer von Ladung, wie oben beschrieben, um die Spannung am Kondensator auf die im Punkt E gezeigte zu reduzieren. Die konstante Beschleunigung dauert an und die Kondensatorspannung steigt daher wieder an, zum Punkt F, und es wird angenommen, daß in diesem Zeitpunkt die Beschleunigung endet. Die Kurve von F und G stellt eine Periode dar, in der der Körper überhaupt keiner Beschleunigung ausgesetzt ist. Vom Punkt G aus ist der Körper einer konstanten Beschleunigung ausgesetzt, weshalb der Stromfluß umgekehrt wird und die Kondensatorspannung fällt. Im Punkt H fällt die Spannung auf den unteren Pegel Vl und der Kondensator wird geladen durch eine bekannte Ladungsübertragung, wodurch die Spannung auf die des Punktes J steigt. Solange die Beschleunigung andauert, fällt die Kondensatorspannung wiederholt auf den unteren Spannungspegel Vl.

Die vertikalen Linien zeigen beispielsweise die Zeiten an, zu welchen die Kondensatorspannung durch den Analog/Digital- Umformer abgetastet wird.

Fig. 5 zeigt schematisch einen geeigneten Schaltkreis für die Bezugsstufe 12 nach Fig. 1. Wie dargestellt besteht sie aus einem Paar Komparatoren CM 1 und CM 2, sowie einem Paar Potentialteilern, von denen jeder einen Widerstand und eine Zenerdiode aufweist. Der Ausgang des Pufferverstärkers 11 ist an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators CM 1 gelegt, während dessen invertierender Eingang mit der Verbindung zwischen einem Widerstand R 1 und einer Zenerdiode Z 1 des ersten Spannungsteilers verbunden ist. Der Ausgang des Pufferverstärkers 11 ist ferner an den invertierenden Eingang des zweiten Komparators CM 2 gelegt, dessen nicht­ invertierender Eingang mit der Verbindung zwischen einem Widerstand R 2 und einer Zenerdiode Z 2 des zweiten Spannungs­ teilers verbunden ist. Die beiden Potentialteiler bestimmen den oberen und den unteren Spannungspegel.

Wenn der Ausgang des Verstärkers 11 zwischen den beiden Schwellwert-Pegeln liegt, so geben beide Komparatoren einen niedrigpegeligen oder negativen Ausgang ab. Wenn der Aus­ gang des Verstärkers 11 auf den oberen Spannungspegel an­ steigt, wie durch die Zenerdiode Z 1 bestimmt, so steigt der Ausgang des Komparators CM 1 auf einen positiven Wert an, wobei dieser Ausgang das erste Kontrollsignal oder Steuer­ signal ist. In gleicher Weise, wenn der Ausgang des Ver­ stärkers 11 unter den zweiten Spannungspegel fällt, wie durch die Zenerdiode Z 2 bestimmt, so steigt der Ausgang des Komparators CM 2 auf einen positiven Wert an, wobei dieser Ausgang das zweite Steuersignal ist. Der Analog/ Digital-Umformer 17 kann vom Typ der sukzessiven Approximation sein, bei welchem der analoge Eingang digitiert und dann mit sukzessiven digitalen Werten verglichen wird, die in einem Register gespeichert sind, bis eine Übereinstimmung festgestellt wird. Diese Form eines Umformers macht es möglich, die analoge Bezugsstufe nach Fig. 5 durch eine digitale Anordnung zu ersetzen. Wenn dies getan wird, kann die Stufe 12 nach Fig. 1 entfernt werden, wobei der Ausgang des Verstärkers 11 nur mit dem Umformer 17 verbunden bleibt. Der Umformer kann mit Toren versehen sein, um seine Zuord­ nung zu dem oberen und dem unteren Spannungspegel zu be­ stimmen, die nun in digitaler Form gespeichert sind. Der Ausgang dieses Tornetzwerkes, der das Vorzeichen jeglicher Differenz zwischen dem Ausgang des Verstärkers 11 und den beiden gespeicherten Pegeln anzeigt, bildet das erste und zweite Steuersignal, die an das Schaltnetzwerk 13, wie zu­ vor, angelegt werden.

Wie bereits erwähnt, liefert die Schaltung als Ausgang eine digitale Darstellung des momentanen Integrals der Beschleunigung des Körpers, der den Beschleunigungsmesser trägt. Dieser kann integriert werden, um die von dem Körper durchlaufende Entfernung anzuzeigen.

Obwohl das beschriebene Beispiel als veränderliche Größe eine Beschleunigung verwendet, können andere physikalische Größen verwendet werden, solange sie durch einen elektrischen Strom dargestellt werden können.

Da die Größe der auf den Kondensator übertragenden Ladung bekannt ist, vermeidet die beschriebene Schaltung die Probleme bekannter Schaltungen, die versuchen, einen Kondensator auf eine spezifische Spannung zu laden oder zu entladen. Die Genauigkeit des beschriebenen Schalt­ kreises ist daher größer als die der bekannten Schalt­ kreise. Andere Schaltkreise zur Erzeugung von Impulsen konstanter Ladung können ebenfalls verwendet werden.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ausganges, der eine digitali­ sierte Form des Zeitintegrals von Daten ist, die durch einen variablen elektrischen Strom dargestellt werden, gekennzeichnet durch einen Kondensator, an den ein variabler Gleichstrom anlegbar ist, der proportional zum momentanen Wert einer variablen Größe ist, einen Pufferverstärker, dessen einer Eingang an den Kondensator gelegt ist, eine Bezugsstufe, die an den Ausgang des Pufferverstärkers geschaltet ist, zur Bestimmung oberer und unterer Spannungspegel, und die auf die Spannung am Kondensator anspricht, um ein erstes Steuer­ signal abzugeben, wenn diese Spannung den oberen Spannungspegel erreicht, und um ein zweites Steuersignal abzugeben, wenn die Spannung den unteren Spannungspegel erreicht, eine Ladeeinrichtung, die auf jedes der beiden Steuersignale anspricht, um an den Kondensator einen Impuls einer bekannten konstanten Ladung in solcher Richtung anzulegen, daß die Spannung am Kondensator sich auf einen Wert in der Nähe des Spannungspegels ändert, der Ursache des anderen Steuersignales war, ferner durch einen Zähler zum Zählen der Anzahl und der Polarität der Ladungsimpulse, die durch die Ladeeinrichtung an den Kondensator angelegt werden, einen Analog/Digital-Umformer, der an den Ausgang des Pufferverstärkers gelegt ist, zum Abtasten der Spannung am Kondensator mit einer Rate derart, daß das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen größer ist als die Dauer eines Ladungsimpulses und durch einen Addierkreis zum Zusammenfassen des Ausganges des Zählers mit dem momentanen Ausgang des Analog/Digital-Umformers.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ladeeinrichtung eine Stromquelle aufweist, um einen Strom konstanter bekannter Amplitude abzugeben, ferner eine Schalteinrichtung, die auf die Steuersignale anspricht, um den Ausgang der Stromquelle mit dem Kondensator über eine bekannte Zeitspanne zu verbinden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Größe eine Beschleunigung ist und daß der Ausgang der Schaltungsanordnung das Zeitintegral der Beschleunigung ist.