DE2826072C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Analog-Digitalumsetzung - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Analog-DigitalumsetzungInfo
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- H03M1/82—Digital/analogue converters with intermediate conversion to time interval
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Analog-Digitalumsetzung mit einem Komparator, dem
die umzusetzende Eingangsspannung und eine Vergleichsspannung zugeführt wird, und bei dem zusätzlich
eine Digital-Analogumsetzung vorgenommen wird, die aus Vergleichswerten die Vergleichsspannungen erzeugt, wobei in Abhängigkeit von dem am Ausgang des
Komparators erhaltenen Vorzeichen des Differenzwertes ein neuer Vergleichswert bereitgestellt wird.
Aus dem »Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung« von K. Steinbuch, 2. Auflage, Seiten 728 und 729
ist es bekannt, daß ein Analog-Digitalumsetzer mit Hilfe
eines programmgesteuerten Digital-Analogumsetzers aufgebaut werden kann Hierzu ist eine Steuerschaltung
vorgesehen, die auf den Eingang eines Digital-Analogumsetzers eine bestimmte Zahl ausgibt, die nach
Umsetzung in eine Spannung mit der zu messenden Eingangsspannung verglichen wird. Entsprechend dem
Ergebnis dieses Vergleiches ändert die Steuerschaltung die Zahl so lange, bis beide Spannungen sich weniger als
eine halbe Einheit unterscheiden. Die zuletzt eingestellte Zahl ist das digitale Ergebnis der Umsetzung. Die
Steuerschaltungen werden entweder mit einem Zähler aufgebaut, dessen Zählerstand so lange durch Abzählen
von Impulsen erhöht wird, bis die zugehörige Spannung
der Meßspannung genügend gleich ist Bei einer anderen Ausführungsform enthält die Steuerschaltung
einen Vorwärts-Rttckwärtszähler. je nachdem, ob die zugehörige Spannung größer oder kleiner ist als die
Eingangsspannung, werden Impulse auf den Subtraktions- oder Additionseingang geleitet Darüber hinaus
sind auch Stufenverschlüßler bekannt, bei denen die Eingangsspannung stufenweise mit einer Bezugsspannung verglichen und dieser allmählich angenähert wird.
Der vorliegenden Erfindung, welche sich auf ein Verfahren zur Analoj-Digitalumsetzung der eingangs
genannten Art bezieht, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zur einfachen logarithmischen Analog-Digitalumwandlung aufzuzeigen. Gemäß der Erfindung wird
dies dadurch erreicht, daß die bereitgestellten Vergleichswerte logarithmisch gestuft sind, daß der
Digital-Analogumsetzer linear arbeitet und daß die Umwandlung des analogen Wertes in ein digitales
Ergebnis in aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt, derart, daß das jeweilige Vorzeichen des Ausgangssignals des Komparators den logarithmischen Wert der
Eingangsspannung ausgehend vom ersten Vergleichsergebnis als höchstwertiges Bit in binärer Stufung liefert.
Die Erfindung gestattet es, in besonders einfacher Weise die gewünschte logarithmische Analog-Digital-Umwandlung durchzuführen, wobei im Gegensatz zur
herkömmlichen linearen Analog-Digitalumwandlung die einzelnen Vergleichswerte logarithmisch gestuft
bereitgestellt werden.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine zur
Durchführung des Verfahrens dienende Schaltungsanordnung zur Analog-Digitalumsetzung, Sie ist dadurch
gekennzeichnet, daß einem mit einem Eingang an die Eingangsspannung angeschlossenen Komparator eine
die Vergleichswerte aufgrund eines eingestellten Bezugswertes bereitstellende digitale Einrichtung nachgeschaltet ist, daß dieser Einrichtung ein linear arbeitender
Digital-Analogumsetzer zur Erzeugung der Vergleichsspannung für den zweiten Eingang des !Comparators
nachgeschaltet ist und daß die logarithmischen Ergebniswerte an einem Ausgang der digitalen Einrichtung
bereitgestellt sind.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung sowie deren Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert
Es zeigt
F i g. 1 im Blockschaltbild den Aufbau eines Analog-Digitalwandlers nach der Erfindung,
F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Vergleichsspannung bei einem Umsetzvorgang,
In F i g. 1 wird das gleichgerichtete umzusetzende
analoge Signal Ue einer Eingangsklemme EK zugeführt und gelangt von ihr aus zum Plus-Eingang eines
!Comparators KO. Der Minus-Eingang dieses (Comparators KO wird mit einer Gleichspannung t/v(Vergleichsspannung) beaufschlagt, die von einem Digital-Analogwandler DA geliefert wird Das Eingangssignal dieses
Digital-Analogumsetzers DA wird von einer digitalen Einrichtung, vorzugsweise einem Rechner RE abgegeben, wobei der zugeführte Vergleichswert Vv im
Rechner RE in Abhängigkeit von der am Ausgang des (Comparators KO anliegenden Spannung Uk und
außerdem in Abhängigkeit von einem Referenzwert Vr berechnet wird, der dem Rechner RE an dem Eingang
RK zugeführt wird. Dieser Referenzwert Vr legt den
jeweiligen Meßbereich fest Nach N Wiederholungen werden an dem Ausgang AK des Rechners RE die
gewünschten digitalisierten Werte Vd des analogen Eingangssignals Ue in logarithmischem Maßstab abgenommen.
Die Bereitstellung der Referenzwerte Vr bzw. Vv kann auch mittels einer digitalen Speichereinrichtung
erfolgen, in der diese Werte eingespeichert sind (z. B. ROM) und nacheinander abgerufen werden.
In Fig.2 ist in Abhängigkeit von der Zeit t der
Verlauf der verschiedenen Vergleichsspannungen Uv 1,
Uv2, i/v 3 und £vk4 dargestellt, wobei angenommen ist,
daß die Referenzspannung Ur auf einen bestimmten Wert eingestellt ist Diese Einstellung geschieht, wie
bereits erwähnt, über den Eingang RK, wo der zugehörige Referenzwert Vr eingegeben wird, der nach
Digital-Analogwandlung die Referenzspannung Ur an den Minuseingang des !Comparators KO liefert Die
Spannung t/r legt somit den jeweiligen Meßbereich fest,
und zwar aufgrund des eingestellten Referenzwertes Vr.
ίο In der Anfangsphase, d.h. bei dem ersten der W= 4
angenommenen Vergleiche (Zeitpunkt 11) wird als erste
Vergleichsspannung Uv 1 am Eingang des !Comparators KO die Referenzspannung Ur benutzt d. h. es gilt
UvX = Ur bzw. Vv 1 = Vr. Dabei steht Vv 1 für den
ersten Vergleichswert am Eingang des Digital-Analogumsetzers DA. Je nachdem, wie groß die entsprechende
eintreffende Eingangsspannung Ue ist, ergibt sich eine gewisse Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung Ue und der Referenzspannung Ur= Uv 1. Das
zugehörige Komparatorsignal, welches in F i g. 3 dargestellt ist, hat den Wert 1 (logische Eins), d.h. die
Eingangsspannung Ue liegt oberhalb cL·/* Referenzwertes Ur=Uvi.
Die logische 1 am Ausgang des !Comparators KO zu
Zeit it veranlaßt den Rechner RE einen zweiten
Vergleichswert Vv 2 zur Verfügung zu stellen, der größer sei;* muß als der erste Vergleichswert Wl= Vr.
Daraus entsteht durch Digital-Analogumsetzung im Wandler DA die zweite Vergleichsspannung Uv 2.
Aufgrund der so erhaltenen neuen Vergleichsspannung Uv2, welche in Fig.2 größer angenommen ist als die
Eingangsspannung Ue, fällt das Komparatorsignal im Zeitpunkt 12 auf den Wert Null zurück. Der Rechner RE
stellt hierauf einen neuen Vergleichswert Vv 3 bereit,
der niedriger liegt als Vv 2. Die daraus sich ergebende
Vergleichsspannung Uv3 ist unterhalb der Eingangsspannung Ue angenommen, so daß das Komparatorsignal wieder auf den Wert 1 ansteigt
Die nachfolgende, durch einen vom Rechner erzeug
ten Vergleichswert Vv 4 nach Digital-Analogumsetzung
bereitgestellte letzte Vergleichsspannung Uv 4 liegt knapp unterhalb dem Wert der Eingangsspannung Ue
und ergibt deshalb ebenfalls ein Komparatorsignal vom Wert logisch Eins. Der Vergleichsvorgang endet hier
automatisch, weil /V= 4 eingestellt ist Allgemein wird
nach N Vergleichen ein Ausgangswert Vd erzeugt,
welcher in logarithmischem Maß (z. B. in dB) die Größe
der Eingangsspannung Ue angibt
folgende mathematische Beziehungen:
ί 1: Uv 1 = Referenzspannung Ur
ti: UvI = Uvi ■ Kl; z.B. Xl = ΙΟ0·2 entspr. + 4dB
r3: Uv3 = UvI ■ ~; z. B. Kl = 10°·' entspr. + 2dB
t4: Uv4 = Uv3 ■ K3; z.B. K3 = 10°·°* entspr. + IdB
Auflösung z. B. /C4 = ΙΟ00" entspr. + 0,5dB
Der Wert K 4 entspricht der erzielten Auflösung, weil μ den Gleichungen lassen sich folgende Beziehungen
Uezwischen Ud ■ K4und Ud- ' liegt,d.h.zwischen ab|e|ten:
Λ 4 ^*- te \ ·
· ff 1X · ff A·
den beiden letztmöglichen Stufen. Aus den vorstehen- Vr ~
Kl
Ve
Vr
[dB] = +4-2+ I +0.5 = 3.5 dB (6)
Der Wert des Komparatorsignals, d. h. je nachdem ob dieses Signal den Wert logisch I oder logisch Null hat,
gibt an, ob mit dem Koeffizienten ^. oder K gerechnet
(Gleichung 3 bzw. 5) und der entsprechende dB-Wert abgezogen oder addiert werden muß (Gleichung 6). Das
erste Signal des Spannungskomparators KO liefert somit gleichzeitig das höchstwertige Bit für das
Endergebnis der Analog-Digitalwandlung. Um eine
logarithmische Beziehung zu erhalten, muß bei .Stufenumsetzung
für die nachfolgenden Vergleichsstufen der Faktor AC/jeweils durch einen Faktor
Ki+\= JKi
ersetzt werden. Nach N, im vorliegenden Beispiel also vier Vergleiehsvorgängen. erhält man als F.rgebnis ein
/V-Bit-Wort, das nach Gleichung (6) entsprechend bewertet dem Logarithmus aus dem Spannungsverhältnis
Ue/Ur proportional ist. Die verschiedenen Werte Vv 1 bis VvN bilden ein vorgegebenes logarithmisches
Raster, innerhalb dessen der gesuchte Wert Ue/Ur gesucht wird. Der Digital-Analogwandlcr DA in Fig. I
ist ein linearer Wandler, dessen Auflösung vorteilhaft größer ist als die Anzahl der zur logarithmischen
Analog-Digitalwandlung verwendeten Stufen, d. h. größer als N. Diese Auflösung entspricht der Auflösung des
Endergebnisses. Die Verwendung eines linearen Digital-Analogwandlers
in diesem Bereich hat den besonderen Vorteil, daß hier der Aufwand sehr gering gehalten
werden kann. Die für die Berechnung des logarithmischen Wertes im Rechner RE benötigte Angabe
darüber, ob das Verhältnis von ..' größer oder kleiner
ist als Eins, wird in einfacher Weise durch den Wert 0 oder 1 des Ausgangssignals des Komparators KO
bereitgestellt. Damit ist auch hier ein sehr einfacher Bezugswert für den Rechner RE vorhanden.
Durch die Wahl der Faktoren K 1 bis KN wird der Spannungsbereich der Umsetzung festgelegt: der
Ausgangswert der Umsetzung ist gleichzeitig Bezugsspannung des Ergebnisses.
Will man eine rasche Umwandlung erreichen (z. B. eine Umsetzzeit kleiner 2 ms), so wird die Rechenzeit
■ für die jeweilige Multiplikation relativ groß. Vorteilhaft
wird deshalb ein Raster von /.. B. 9 Vergleichswerten VfI bis Vv9 je nach Spannungsbereich und Bezugsspannung vorab berechnet und gespeichert. Diese 9
Vergleichswerte liefern über die Vergleichsspannungen - Uv 1 bis Uv9 die höchstwertigen N 1 Bits (z. B. 3) des
Ergebnisses; die restlichen N2 Bit (z.B. 5) des Ergebnisses werden durch lineare Umsetzung (Interpolation)
gebildet.
Die logarithmische Analog-Digitalumwandlung einer Spannung kann nach diesem Prinzip vorteilhaft mit
einem Mikroprozessor. z.B. SAB 8080. in 1.5ms durchgeführt werden.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist neben dem geringen Aufwand seine Flexibilität (vergleichbare
{inparp Λna|ng.nigilaju;anr|]pr mil rjpr CriordcH'Chcn
hohen Auflösung haben wesentlich höhere Kosten).
Für mit Gleichrichtung arbeitende Meßgeräte erhält man damit die Möglichkeit ohne großen Aufwand den
Eichvorgang zu automatisieren. Ein Beispiel hierfür ist in Fig.4 dargestellt. Dort ist in Abhängigkeit von der
Eingangsspannung L/edas Meßergebnis (Spannung Ud)
aufgetragen. Mit IK ist eine ideale Gleichrichterkennlinie bezeichnet, mit HK eine tatsächliche Kennlinie des
Meßgerätes, die einen Nullpunkts- und einen Steilheitsfehler (gegenüber IK)hal.
Der Nullpunktsfchlerder Meßgleichrichter-Kennlinie
kann auf einfache Weise ausgeeicht werden, indem bei
Ue-O die Spannung Uo (Nullpunktfehler) gemessen wird. Der Rechner Aufarbeitet hier nicht logarithmisch,
sondern linear. Anschließend werden für die nachfolgenden Messungen die Vergleichs;,! .inungen um den
Betrag Uo vergrößert, also Uv' = / ι -*- lh. Mit den so
durch die Eichspannung korrigierten Verglcichswerten Uv' wird die Spannung Ur beim Anlegen des
Eichpegels an den Meßgleichrichter linear gemessen und als Bezugsspannung für die Berechnung der
Vergleichsspannungen zur logarithmischen Analog-Digitalwandlung verwendet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zur Analog-DigitaJumsetzung mit
einem Komparator, dem die umzusetzende Eingangsspannung und eine Vergleichtspannung zugeführt wird, und bei dem zusätzlich eine Digital-Analogumsetzung vorgenommen wird, die aus Vergleichswerten die Vergleichsspannungen erzeugt,
wobei in Abhängigkeit von dem am Ausgang des !Comparators erhaltenen Vorzeichen des Differenzwertes ein neuer Vergleichswert bereitgestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die bereitgestellten Vergleichswerte (Wl bis VvN) logarithmisch gestuft sind, daß der Digital-Analogumsetzer
(DA) linear arbeitet, und daß die Umwandlung des analogen Wertes in ein digitales Ergebnis in
aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt, derart, daß das jeweilige Vorzeichen des Ausgangssignals (0, 1)
des (Comparators (KO) den logarithmischen Wärt
der Eingangsspannung (Ue) ausgehend vom ersten Vergleichsergebnis als höchstwertiges Bit in binärer
Stufung liefert
2. Verfahren zur Analog-Digitalumsetzung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stufenumsetzung die aufeinanderfolgenden Vergleichswerte (Vv) durch Multiplikation des vorhergehenden Vergleichswertes mit einem dem jeweiligen Vergleichsschritt zugeordneten Faktor (K) oder
dessen Kehrwert ίηΛ gebildet wird, und daß in J0
Abhängigkeit vom Vorzeichen des Ausgangssignals des Komparator (KO) der Faktor selbst oder sein
Kehrwert for die Auswertung benutzt ist
3. Verfahren zur Analcg-Digitalumsetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeici iet, daß aufeinanderfolgende Faktoren (K 1 bis KN) so gewählt sind,
daß der nachfolgende Faktor jeweils die Quadratwurzel aus dem vorangegangenen darstellt
4. Verfahren zur Analog-Digitalumsetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Digital-Analogumsetzer (DA) eine höhere Auflösung als die Auflösung der
gesamten Analog-Digitalumsetzanordnung aufweist
5. Verfahren zur Analog-Digitalumsetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Verwendung in einem Meßgerät zur Fehlerkompensation für den Eichvorgang eine Eichspannung (Uo) an den Eingang der
Analog-Digitalumsetzanordnung gelegt und linear mit der Auflösung des Digital-Umsetzers (DA)
gemessen wird und daß die Vergleichswerte mit den
so gewonnenen Eichspannungswerten korrigiert
werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Rechenzeit ein Raster mit einer
vorgegebenen Anzahl von Vergleichswerten (2. B. Vv 1 bis Vv 9) vorab berechnet und gespeichert wird, μ
daß diese vorabberechneten Vergleichswerte (z. B. Vv1 bis Vv9) die höchstwertigen Bits des
Ergebnisses liefern und die restlichen Bits durch Interpolation gewonnen werden.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des b>
Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einem mit
einem Eingang an die Eingangsspannung (Uc)
angeschlossenen Komparator (KO) eine die Vergleichswerte (V 1 bis Vn) aufgrund eines eingestellten Bezugswertes (Vr) bereitstellende digitale
Einrichtung (RE) nachgeschaltet ist, daß dieser Einrichtung (RE) ein linear arbeitender Digital-Analogumsetzer (DA) zur Erzeugung der Vergleichsspannungen (Ur) für den zweiten Eingang des
!Comparators (KO) nachgeschaltet ist und daß die logarithmischen Ergebniswerte (Vd) an einem
Ausgang (AK) der digitalen Einrichtung (RE) bereitgestellt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2826072A DE2826072C3 (de) | 1978-06-14 | 1978-06-14 | Verfahren und Schaltungsanordnung zur Analog-Digitalumsetzung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2826072A DE2826072C3 (de) | 1978-06-14 | 1978-06-14 | Verfahren und Schaltungsanordnung zur Analog-Digitalumsetzung |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2826072A1 DE2826072A1 (de) | 1979-12-20 |
DE2826072B2 DE2826072B2 (de) | 1980-09-04 |
DE2826072C3 true DE2826072C3 (de) | 1981-06-19 |
Family
ID=6041775
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2826072A Expired DE2826072C3 (de) | 1978-06-14 | 1978-06-14 | Verfahren und Schaltungsanordnung zur Analog-Digitalumsetzung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2826072C3 (de) |
-
1978
- 1978-06-14 DE DE2826072A patent/DE2826072C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2826072B2 (de) | 1980-09-04 |
DE2826072A1 (de) | 1979-12-20 |
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