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Analog/Digital-Wandler
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Die Erfindung betrifft einen Analog/Dlgital-blandler, der auf der
Basis der 2Elanken->Iethode arbeitet. Dabei bezieht sich die Erfindung insbesondere
auf die Steuerung des Betriebs von Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen, Wäschetrocknern,
Geschirrspülern und Herden.
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Beim Betriebe von elektrischen Geräten, die wie moderne Haushaltswaschmaschinen,
Wäschetrockner oder Geschirrspüler im Programmablauf durch einen Rechner gesteuert
werden, fallen vielfach Meßwerte wie beispielsweise Betriebstemperaturen in analoger
Form an, die für ihre weitere Verwertung oder auch für ihre Anzeige in digitale
Form überführt werden müssen. Für eine solche Meßwertumwandlung sind Analog/Digital-Wandler
bekannt, die in Anwendung der 2Flanken-Methode einen Integrator enthalten, in dem
ein analog in Form einer elektrischen Spannung anfallender Meßwert zunächst aufintegriert
und anschließend wieder abgebaut wird, wobei aus den für diese Vorgänge benötigten
Zeiten ein digitales Maß für den analogen Meßwert abgeleitet wird.
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Diese bekannten Analog/Digital-Wandler sind jedoch in ihrem Aufbau
relativ kompliziert und kommen entsprechend teuer in der Herstellung; darüber hinaus
verlangen sie häufig auch einen Platzbedarf, der innerhalb einer elektronischen
Gerätesteuerung insbesondere für den Betrieb eines Haushaltsgeräts der oben erwähnten
Art nicht befriedigt werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen AnalogiDigitalwandler
zu schaffen, der sich zum einen durch eine äußerst preisgünstige IIerstellung und
zum anderen durch einen sehr geringen Platzbedarf auszeichnet
und
sich ohne weiteres in die Steuereinheit eines rechnergestuerten Haushaltsgeräts
wie insbesondere einer Haushaltswaschmaschine einbeziehen läßt.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Analog/Digital-Wandler,
wie er im Patentanspruch 1 angegeben ist.
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Elit Hilfe des erfindungsgemäß gestalteten AnalogjDigital-Wan dlers
läßt sich ein in elektrischer Form anfallender Analogwert wie zum Beispiel eine
Meßspannung an einem NTC-Temperaturfühler in einen digital leicht erfaßbaren Wert
wie zum Beispiel eine Zeitspanne zwischen zwei Signalflanken überführen. Dabei wird
nur ein einziger CMOS-Baustein als Analogteil des Analog/Digital-wandlers verwendet
und die bei hintereinander liegenden CMOS-Gattern erzielbare Versetzungskompensation
dazu ausgenutzt, eine für die Praxis ausreichende Umwandlungsgenauigkeit zu erhalten.
Weiterhin wird für den Komparator die CMOS-Übertragungsfunktion nutzbar gemacht,
wobei die Höhe der Schaltschwelle langfristig und auch durch Fertigungstoleranzen
schwanken darf; Die im Rahmen der Erfindung verwendeten CKlOS-Bausteine sind sehr
preisgünstige und kleine Bauelemente, was zu niedrigen Gestehungskosten und geringem
Platzbedarf für den erfindungsgemäß ausgebildeten Analog/Digital-\iandler führt.
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In Weiterbildung der Erfindung kann dem den Integrator bildenden CMOS-Gatter
eine Klemmdiode parallelgeschaltet werden, unter Ausnutzung von deren Kennlinie
der lntegratorausgangsbereich derart begrenzt werden kann, daß er beispielsweise
von kurz unterhalb der halben Versorgungsspannung für den CMOS-Baustein bis zum
vollen Wert dieser Spannung reicht, wodurch sich eine Arbeitsbeschleunigung erzielen
läßt.
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Im übrigen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung in Unteransprüchen
im einzelnen gekennzeichnet.
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In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
veranschaulicht, das einen im Bahmen einer mikrocomputergesteuerten Haushaltswaschmaschine
eingesetzten Analog/Digital-T;andler für die Erfassung von Temperaturmeßwerten zeigt.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein schematisch gehaltenes Schaltbild
für einen mit einem Mikrocomputer für die Steuerung einer Waschmaschine verbundenen
Analog/ Digital-Wandler und Fig. 2 und 3 Spannungs/Zeit-Diagramme zur Veranschaulichung
der Arbeitsweise des Wandlers von Fig. 1 bei der Umwandlung einer kleinen Meßspannung
(Fig. 2) und einer größeren Meßspannung (Fig. 3).
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Der in Fig. 1 gezeigte Analog/Digital-Wandler ist eingangsseitig über
einen Widerstand an einen Spannungsteiler mit einem NTC-Temperaturmeßwiderstand
angeschlossen, der eine in digitale Form zu überführende Meßspannung als Eingangsgröße
für den Wandler abgibt. Außerdem ist der dargestellte Wandler, der in Form eines
vierstufigen OMOS-Bausteins ausgeführt ist, für seine Steuerung mit einem ZIikrocomputer
verbunden, der auch die Programmsteuerung für die nicht gezeigte Waschmaschine übernimmt
und in der Zeichnung in Fig. 1 nur als ein einheitlicher Block veranschaulicht ist.
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Die erste Stufe des CIdIOS-Bausteins bildet ein NAIiD-Gatter I, das
mit einem Eingang an den Spannungsteiler und mit einem zweiten Eingang an den Mikrocomputer
angeschlossen ist. Dieses NA1-Gatter I stellt einen abschaltbaren Verstärker dar,
der an seinem Ausgang galvanisch auf seinen Eingang rückgekoppelt und außerdem über
einen Kondensator geerdet ist. An den Ausgang des ersten NAND-Gatters I ist über
einen Widerstand als zweite Stufe des C>IOS-Bausteins ein an seinem Ausgang wiederum
über einen Kondensator geerdetes zweites NAND-Gatter II angeschlossen, das als Integrator
arbeitet und dem ein Kondensator C und eine Klemmdiode D parallelgeschaltet sind.
Auf dieses zweite NAND-Gatter II folgen als dritte bzw. vierte Stufe des CAlOS-Bausteins
ein drittes NAND-Gatter III und ein viertes NAND-Gatter IV, von denen das dritte
NAND-Gatter III einen Komparator bildet, während das vierte NAND-Gatter IV einen
Inverter darstellt und an seinem Ausgang mit dem Mikrocomputer verbunden ist.
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Anstelle der dargestellten NAND-Gatter I bis IV könnten grundsätzlich
auch andere OMOS-Gatter wie NOR- oder XOR-Gatter verwendet werden.
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Die Diagramme von Fig. 2 und 3 veranschaulichen die Funktionsweise
des in Fig. 1 gezeigten Analog/Digital-¢Jandlers anhand von zeitlichen Spannungsverläufen,
wobei jeweils in der oberen Zeile die Spannungsverhältnisse am Integrator, in der
mittleren Zeile die Steuerspannung für den Verstärker und in der unteren Zeile die
Ausgangsspannung am Inverter dargestellt sind.
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Sowohl im Falle einer kleinen Meßspannung (Fig. 2) als auch im Falle
einer großen Meßspannung (Fig. 3) wird über den Mikrocomputer im Zeitpunkt t der
Verstärker freigegeben, seine Ausgangsspannung ändert sich also von der Versorgungsspannung
U für den Cl;IOS-Baustein auf einen Wert, der proportional ist zur jeweiligen Meßspannung
von dem NTC-Temperaturmeßwiderstand. Damit läuft der Integrator hoch, bis im Zeitpunkt
t2 der Komparator mit dem Inverter hochschaltet. In diesem Zeitpunkt t2 wird im
Mikrocomputer eine Uhr in Lauf gesetzt, die nach Ablauf einer stets konstanten Zeitspanne
- von t2 bis t3 - im Zeitpunkt t3 den Verstärker wieder sperrt. Damit fällt die
Ausgangsspannung des Integrators wieder bis zu ihrem unteren Grenzwert ab, wobei
sie im Zeitpunkt t4 die etwa bei U/2 liegende Komparatorschwelle durchläuft, so
daß im Zeitpunkt t4 der Komparator mit dem Inverter wieder rückschaltet. Die Zeitspanne
zwischen t3 und t4 wird im Mikrocomputer von einer Uhr gemessen und so in digitaler
Form in einem Zählregister festgehalten. Die Länge dieser Zeitspanne zwischen t
und t4 ist, wie ein Vergleich zwischen den Dar-3 stellungen in Eige 2 und Fig. 3
deutlich erkennenläßt, der Meßspannung am NTC-Temperaturmeßwiderstand eindeutig
zugeordnet, der dieser Zeitspanne entsprechende Inhalt des Zählregisters im Mikrocomputer
stellt daher ein digitales Maß für diese Meßspannung und damit für die ursprünglich
in analoger Form anfallende Temperatur dar.