DE2839694A1

DE2839694A1 - Messverstaerker mit digitalem ausgang

Info

Publication number: DE2839694A1
Application number: DE19782839694
Authority: DE
Inventors: Emil Reut
Original assignee: Gretag AG
Current assignee: Gretag AG
Priority date: 1977-09-14
Filing date: 1978-09-12
Publication date: 1979-03-15
Also published as: CH617510A5; IT7851073A0; GB2005501A

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SC_4WAB£ DR. DP. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE Postfach 860245 · 8000 München 86

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»(089)988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 44I0I22850

988273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

988274 TELEX: Bayec Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) 983310 0524560 BERG d Posischeck München 65343-808 (BLZ 70010080)

GRETAG AKTIENGESELLSCHAFT, 8105 Regensdorf / ZH, (Schweiz)

Case 7-11337/GTP 429
Deutschland

Messverstä'rker mit digitalem Ausgang

Insbesondere in der Fototechnik besteht vielfach die Aufgabe, kleine und kleinste Ströme mit höchster Genauigkeit zu messen und in digitaler Form darzustellen. Ein besonderes Problem bildet dabei der Umstand, dass die zu messenden Ströme nicht nur sehr klein sind, sodass sie fast im Rauschen untergehen, sondern darüber hinaus oftmals auch einen erheblichen Dynamikumfang aufweisen. So liegen beispielsweise die bei der fotoelektrischen Ausmessung von Kopiervorlagen auftretenden Fotoströme im Bereich von etwa lOOpA bis etwa 100 /iA, was einem Dynamikumfang von rund 10 entspricht.

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Zur Steigerung des verarbeitbaren Dynamikumfangs werden heute in der Regel Messverstärker mit umschaltbarem Verstä'rkungsgrad und Gleitkomma-Analog-Digital-Wandler (DOS 2 460 907) eingesetzt. Zur Verarbeitung kleinster nur schwach über dem Rauschpegel liegender Signale haben sich integrierende Messverstärker als zweckmässig erwiesen (DAS 2 059 862 und DAS 2 035 232).

Diese bekannten Massnahmen bzw. Vorrichtungen sind jedoch für die Praxis in vielen Fällen immer noch nicht ausreichend oder aber zu aufwendig. Diesem Mangel abzuhelfen ist Aufgabe der Erfindung.

Die Erfindung betrifft einen Messverstärker mit digitalem Ausgang, bestehend aus einem Vorverstärker mit umschaltbarem Verstärkungsgrad und einem Analog-Digital-Wandler, und ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorverstärker und dem A/ü-Wandler ein integrierender Verstärker mit stufenweise umschaltbaren Integrationszeiten eingeschaltet ist.

Zum Stand der Technik sind die US-PS No. 3,633,201 und die FR-Patentanmeldung No. 2,292,236 sowie die US-PS Nos. 3,582,777, 3,972,626, 3,573,794, und 3,229,272, die DE-AS 25 53 631 und die DE-OS 2 132 513 bekannt. Die US-PS 3,633,201 beschreibt ein digital anzeigendes Strahlungsmessgerät mit einem speziellen, nach dem Doppelintagrationsprinzip (Dual Slope) arbeitenden A/D-Wandlungsverfahren. Die FR-Patentanmeldung zeigt ein nach der Methode der sukzessiven Approximation arbeitendes Digitalvoltmeter. Die Übrigen genannten Druckschriften offenbaren mehr oder weniger ausgeklUj'.elte Di gi ta !messgeräte mit nach dem schon genannten Doppel iiitegrati onsprinzip arbeil enden A/D-Wandler. Die genannt cn Druckschriften befassen sieh somit lediglich

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mit der eigentlichen A/D-Wandlung und nicht mit den der Erfindung zugrundeliegenden Problemen. Noch viel weniger ist ihnen irgendeine Anregung zur Bewältigung dieser Probleme zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungs-

gemässen Messverstärkers und Fig. 2 Impulsdiagramme zur Funktionserläuterung.

Der Messverstärker gemäss Fig. 1 setzt sich im wesentlichen zusammen aus einem Vorverstärker 1, einem Integrierverstärker 11, einem Komparator 20, einer Integrierzeit-Steuerlogik 12 und einem Analog-Digital-Wandler 22. Die digitalen Ausgangssignale des Messverstärkers sind einem mit JiC bezeichneten Mikroprozessor zur weiteren Verarbeitung zugeführt.

Der Vorverstärker enthält einen Operationsverstärker la, der mit Widerständen 2,3,4,5 und 6 beschaltet ist, von denen der Widerstand 6 fix an Masse liegt, während die Widerstände 4 und 5 mit Hilfe von Schaltern 7 und 8 an Masse gelegt werden können. Die Widerstände 2,3,4,5 und

6 sind so dimensioniert, dass sich bei offenen Schaltern

7 und 8 eine Grundverstärkung v.z.B. 100 mV/joA ergibt.

Wenn Schalter 8 allein geschlossen ist, erhöht sich die

3 Vorverstärkung um einen Faktor 2 , und wenn beide Schalter geschlossen sind, um einen Faktor 2 . Zur Umschaltung der Verstärkung ist eine Messbereichvorwahlstufe 9a vorgesehen, welche eine Logikstufe 9 ansteuert, die ihrerseits die Schalter 7 und 8 betätigt und an Leitungen

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10 der gewählten Verstärkung entsprechende logische Ausgangssignale erzeugt. Diese Ausgangssignale stellen einen Teil der Exponenten des digitalisierten Messignals dar. Die Mantisse wird vom A/D-Wandler erzeugt. Der andere Teil der Exponenten wird vom Integrierverstärker gebildet.

Der Integrierverstärker 11 umfasst einen Operationsverstärker 17, der mit einem Kondensator 18 beschaltet ist. Letzterer ist mit einem Schalter 16, der von einer Schaltstufe 16a gesteuert ist,überbrückt . Der invertierende Eingang des Verstärkers ist mit zwei Schaltern 14 und 15 beschaltet, welche von einer Schaltstufe 14a gesteuert werden.

Die Integrierzeit-Steuerlogik 12 besteht im wesentlichen aus einem Binärzähler und einem Und-Tor sowie diversen weiteren Gattern.

Im Folgenden wird die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Schaltung anhand der Impulsdiagramme gemäss Fig. 2 beschrieben. Zeile a von Fig. 2 zeigt der Steuerlogik 12 über deren Eingang 12a zugeführte Taktimpulse (lmsec). Zeile b zeigt einen Startimpuls, welcher über Eingang 12b der Steuerlogik 12 den Messvorgang auslöst. Zeilen c,d u. e zeigen die Schaltzustände der Schalter 16, 14 u. 15. In Zeile f) ist der zeitliche Verlauf der Spannung am Ausgang 19 des Integrierverstärkers sowie die Referenz-Spannung am Eingang 20b des Komparators 20 dargestellt. Zeile g) zeigt das logische Signal am Ausgang 20c des Komparators 20. Zeile h) zeigt Zeitimpulse, welche nach 4,8,16,32 bzw. 64 ms in der Integrierzeit-Steuerlogik 12 erzeugt werden. Zeile i) zeigt das logische Ausgangssignal des in der Steuerlogik 12 enthaltenen Und-Tores. Zeilen j,k,l u. m zeigen

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die. logischen Signale auf den Leitungen 23 (Exponenten). Zeile n) zeigt das logische Signal am Ausgang 21 der Steuerstufe. Zeile o) zeigt den logischen Zustand am Ausgang 28 (BUSY) des A/D-Wandlers 22 u. damit den Zustand des Wandlers selbst.

Es sind im Verlauf des ganzen Messvorganges verschiedene, typische Phasen unterscheidbar:

Vor dem Zeitpunkt I ist die Vorbereitungsphase, zwischen den Zeitpunkten I u. II die Nullstellphase (RESET), zwischen den Zeitpunkten II u. III die Integrationsphase, und zwischen den Zeitpunkten III u. IV die Wandlungsphase.

Ein Startimpuls auf den Eingang 13 der Steuerstufe 12 löst folgenden Ablauf aus:

Der in der Stufe enthaltene Zähler wird auf Null gestellt, Schalter 16 kurzzeitig geschlossen und dadurch der Kondensator 18 entladen. Gleichzeitig mit dem Wiederöffnen von Schalter 16 wird Schalter 14 geschlossen und Schalter 15 geöffnet sowie der Zähler für den Taktgeber-Impuls (Zeile a) freigegeben. Mit Beginn der Integrationsphase steigt die Spannung am Ausgang 19 stetig an mit einer Steilheit, welche dem Eingangssignal proportional ist (Zeile f). Der Zähler generiert nach 4,8,16,32 und 64 ms kurze Impulse (Zeile h), welche Über das in der Steuerstufe 12 enthaltene Und-Tor mit dem Ausgang des !Comparators 20 (Zeile g) verglichen werden. Sobald nun die Spannung am Ausgang 19 des Integrierverstärkers 11 (Zeile f) eine an dem einen Eingang des !Comparators 20 anliegende Referenzspannung erreicht (Zeile f)^ entsteht am Koinparatorausgang eine logische 1 (Zeile g), was bei der nächsten Zeitmarke (im vorliegenden Beispiel bei 8 ms) das Und-Tor ansprechen lässt, die Integration abbricht und Über die Leitung 21 die A/D-Waudlun,", startet.

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Dabei wird der Schalter 14 wieder geöffnet und der Schalter 15 geschlossen (Zeilen d,e), der Zähler vom Taktgeber abgetrennt und der: Ausgang 21 auf Null gesetzt (Zeile n) Letzteres bedeutet für den A/D-Wandler das Signal mit der Wandlung zu beginnen. Da die Höhe des Ausgangssignals des Integrierverstärkers von der eingestellten Integrationszeit abhängt, bildet letztere ein Mass für die Grössenordnung des zu messenden Signals. Die Integrationszeit kann daher als Exponent einer Exponenten-Darstellung ausgenutzt werden. Die den einzelnen Integrationszeiten entsprechenden Exponenten werden durch logische Einsen auf je einer der Leitungen 23 angezeigt (Zeilen j-m).

Sobald die Wandlung beendet ist, erscheint am Ausgang des A/D-Wandlers 22 wieder eine logische Null und der Mikroprozessor beginnt über die Leitungen 10,23 und Mantisse und Exponenten abzufragen. Falls die Spannung am Ausgang 19 (Zeile f) innert 4 ms (Zeile h) nicht genügend angestiegen ist, um den Komparator 20 zum Ansprechen zu bringen, so wird die Integrationszeit auf 8 ms verlängert bzw. auf 16,32 oder 64 ms (Zeile h). Am Ende jeder Integrationszeit prüft das Und-Tor, ob der Komparator 20 angesprochen hat. Im positiven Fall wird die Integration abgebrochen, und das Startsignal für die Wandlung gegeben (Zeile n).

Bei sehr schwachen Signalen kann es vorkommen, dass auch nach 64 ms die Referenzspannung noch nicht erreicht ist und der Komparator nicht anspricht. In solchen Fällen wird die Integration direkt durch den bei 64 ms auftretenden Zeitimpuls (Zeile h) abgebrochen und gewandelt.

Falls bereits nach 2 ms oder weniger der Referenzwert erreicht ist, heisst das, dass das Eingangssignal zu-

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gross ist. Vom gesamten Arbeitsbereich des A/D-Wandlers 22 wird der höchstwertige Bitausgang für die eigentliche Wandlung nicht ausgenützt. Im vorliegenden Fall ist dieser Ausgang (üeberlauf) an eine Alarmvorrichtung AL angeschlossen. Wenn die Alarmvorrichtung anspricht, muss die Messung mit einer kleineren Vorverstärkung wiederholt werden.

Es wäre auch denkbar, mit dem 13. Bit über die Logikstufe 9 die Vorverstärkung automatisch zu reduzieren. Dies hätte jedoch den Nachteil, dass man mindestens die Zeit für einen ganzen Messablauf, oder, falls die Verstärkungsreduktion im ersten Schritt ungenügend ist, sogar für 2 Messabläufe verlieren würde.

Aus diesem Grunde ist für Messanwendungen ohne starre Bereichsvorwahl eine mit Hilfe zweier weiterer Komparatoren 24 und 25 arbeitende automatische Vorwahl vorgesehen. In der Vorbereitungsphase wird vorerst mit mittlerer Verstärkung gemessen, d.h. Schalter 8 geschlossen, Schalter 7 geöffnet. Falls sich nun am Ausgang 27 des Vorverstärkers eine Spannung ergeben sollte, welche höher ist als eine passend gewählte Referenzspannung am Komparator 24, so spricht dieser an und bewirkt über die Logikstufe 9 das Schliessen des Schalters

7, was eine Verstärkungsreduktion um z.B. einen Faktor 2 zur Folge hat.

Im anderen Fall, wenn sich mit mittlerer Verstärkung am Ausgang 27 eine Spannung ergeben sollte, welche kleiner ist als eine passend gewählte Referenzspannung am Komparator 25, so fällt dieser ab (log. 0 am Ausgang) und bewirkt über die Logikstufe 9 das Oeffnen des Schalters

8, was eine Erhöhung der Vorverstärkung um einen Faktor

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von z.B. 2 zur Folge hat.

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Zu Beginn jeder neuen Messung wird Über einen Eingang 9c der Logikstufe 9 die Vorverstärkung wieder auf mittleren Wert geschaltet.

Die Übrigen« Phasen verlaufen gleich wie weiter oben beschrieben.

Selbstverständlich wäre es auch möglich, durch Anbringung von 3 oder mehr Komparatoren, die Vorverstärkung in 4 oder mehr Stufen zu variieren.

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Claims

Anwaltsakt-e: 29 39?

e -MOiJCHiK ι. r. ■■'. .. , .. ,f. ··.-..·, ι. ^i Patentansprüche 2 833p 9

' 1.' Mess verstärker mit digitalem Ausgang, bestehend aus einem Vorverstärker mit umschaltbarem Verstärkungsgrad und einem Analog-Digital-Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorverstärker und dem A/D-Wandler ein integrierender Verstärker mit stufenweise umschaltbaren Integrations zeiten eingeschaltet ist.
2. Messverstärker nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet,dass ein an den integrierenden Verstärker angeschlossener Komparator und eine mit diesem zusammenwirkende Steuerstufe vorgesehen sind, welch letztere die Integrationszeit auf den nächst höheren Wert umschaltet, wenn das Ausgangssignal des integrierenden Verstärkers ein am Komparator anliegendes Referenzsignal nicht innerhalb der momentan eingeschalteten Integrationszeit überschreitet.
3. Messverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er an seinem Ausgang digitale Werte in Gleitkomma-Darstellung erzeugt, wobei die Mantisse der Werte vom A/D-Wandler und die Exponenten vom Vorverstärker und vom integrierenden Verstärker erzeugt werden.

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ORIGINAL INSPECTED