DE2913615C2 - Schaltung zum Umsetzen eines Zeitintervalls in einen Digitalwert - Google Patents

Description

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20 zung zu erhöhen, ist es generell erforderlich, entweder die Frequenz der Taktimpulse zu erhöhen oder die Entladegeschwindigkeit zu verringern. Der ersten Möglichkeit sind schaltungstechnische Grenzen gesetzt; die zweite Möglichkeit ist mit dem Nachteil behaftet, daß die Umsetzungsgeschwindigkeit insgesamt klein wird.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 09 130 ist es bekannt, zur Analog/Digiial-Umsetzung zunächst den Analogwert in groben Stufen auszuzählen und daraufhin einen Restwert zu bilden, der mittels einer anderen Umsetzungsmethode fein digitalisiert wird. Die bekannte Anordnung erfordert nicht nur einen höheren Schaltungsaufwand, sondern bedingt mindestens während der Digitalisierung des Restwertes auch entweder eine !angsamere Arbeitsweise oder eine höhere Frequenz der Zähl- bzw. Vergleichsimpulse.

Ähnliches gilt für die Umsetzerschaltung nach der deutschen Offenlegungsschrift 22 16 123, bei der das die feinste Auflösung bestimmende Teilzeitintervall gedehnt ist. Auch hier wird, abgesehen von einem erhöhten Schaltungsaufwand, der gesamte Zeitbedarf für die Umsetzung wesentlich erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit oder Auflösung der Umsetzung zu erhöhen.

Analogsignal in ein Signal mit einer zur Amplitude 25 ohne die Umsetzungsdaucr oder die Frequenz der zur

Umsetzung herangezogenen Zählimpulse erhöhen zu müsser.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Danach liegt zujo nächst eine Digiialisierung mit einer Auflösung vor, die in üblicher Weise dem Abstand zwischen zwei Zähltakten entspricht. Die zusätzlich zu dem Zähler vorgesehene Ausgangsstufe wird mit einer Taktimpulsfolge gesteuert, die gegenüber der dem Zähler zugeführten

dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (Jl) durch 35 Taktimpulsfolge phasenverschoben ist. Dadurch wird das Ausgangssignal eines ersten Flipflops (6) auf- die Zeit zwischen zwei Zähltakten in zwei Unterlntersteucrbar ist, das bei Beginn des umzusetzenden vallc aurgeteilt, und es wird festgestellt, in welches die-Zeitintervalls gesetzt und durch ein erstes Verknüp- ser Unter-Intervalle das Ende des zu digitalisierenden fungsglied (10), das bei Auftreten eines Toktimpulses Zeitintervall fällt, was eine Erhöhung der Auflösung der ersten Taktimpulsfolge (Φί) nach Ablauf des -to um eine Binärpotenz gestattet, obwohl weder der Zähumzusetzenden Zeitintervall ein Signal abgibt, lcr noch die Ausgangsstufe mit einer höheren Taktfrerückgesctzt wird, und daß die Ausgangssiufe (14) ein qucn/. betrieben werden müssen.

■ ■ ·- · · Aus »The Electronic Engineer« März 1970. Seiten 56

des Analogsignals proportionalen Breite umsetzt

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssiufe einen mit dem Analogsignal aufladbaren und über eine Konstantstromschaltung (7) entladbaren Kondensator (4) sowie einen Detektor (8), der bei Abfall der Kondensatorladung auf einen vorgegebenen Pegel ein Signal erzeugt, umfaßt.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

zweites Flipflop aufweist, das bei Beginn des umzusetzenden Zcitintervalls rückgesetzt und durch ein zweites Verknüpfungsglied (13). das bei Auftreten eines Taktimpulses der zweiten Taktimpulsfolge (Φ2) während des gesetzten Zustandes des ersten Flipflops (6) nach Ablauf des umzusetzenden Zeitintervalls ein Signal erzeugt, gesetzt wird.

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Die Erfindung betrifft eine Schaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung zum Umsetzen eines Zeitintervalls in einen Digitalwert.

Bei einer derartigen Umsetzerschaltung ist es üblich, mit der analogen Eingangsspannung einen Kondensator aufzuladen, anschließend die in dem Kondensator gespeicherten Ladungen mittels eines konstanten Stroms zu entladen und dabei mittels eines Zählers die Takiimpulse zu zählen, die zwischen dem Beginn der Entladung und demjenigen Zeitpunkt erzeugt werden, /u dem die Kondensatorspannung auf einen bestimmten Schwellenwert abgesunken ist. Am Ausgang des Zahlers wird somit ein digitales Signal bereitgestellt, das der Amplitude der analogen Eingangsspannung entspricht.

Um die Auflösung bzw. die Genauigkeit der Umsct-

bis 58 ist zwar die Verwendung von zwei phasenverschobenen Taktimpulsen gleicher Frequenz bei logischen Schaltungen an sich bekannt, doch bezieht sich diese Druckschrift nicht auf die Erhöhung der Auflösung bei der Umsetzung eines Zeitintervalls in einen Digitalwert.

Nachstehend sollen die der Erfindung zugrunde liegende Problematik sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines üblichen Signalumsetzers; ^N

F i g. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1:

F i g. 3 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispicls der Erfindung;

F ig. 4 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Schaltung nach F ig. 3;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines /weiten ΛιιΜϊιΙν rungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. b ein Impulsdiagramm zur Erliiwerimg der Schaltung nach Fig. 5.

Bei der Schaltungsunordnung der Fig. I wird eine analoge Hingangsspannung V,„ auf einen Eingangsanschliiß 1 gegeben. Wenn ein durch einen MOS-Transi-

stör gebildeter Schalter 3 durch ein Ein-Signal an einem Steueranschluß 2, wie es bei (a) in F i g. 2 dargestellt ist geschlossen wird, wird ein Kondensator 4, wie bei (b) in Fig.2 dargestellt, auf eine Spannung aufgeladen, die gleich der Eingangsspannung V_1n ist In diesem Zustand wird· der Schalter 3 geöffnet, und ein Steueranschluß 5 erhält ein Start-Signal, wie es bei (c) in F i g. 2 dargestellt ist. Dann wird, wie bei (d) in F i g. 2 dargestellt, ein Flip-Flop 6 gesetzt, eine Konstantstromschaltung 7 wird durch das Ausgangssignal des Q-Anschlusses des Flip-Flop in Tätigkeit gesetzt und im Kondensator 4 gespeicherte Ladungen werden entladen. Dabei nimmt wegen der Wirkung der Konstantstromschaltung 7 die Klemmenspannung des Kondensators 4 mit festem Gradienten ab, wie dies bei (b) in F i g. 2 gezeigt ist. Wenn die Klemmenspannung des Kondensators 4 auf eine Schwellenspannung V,/, abgesunken ist, liefert ein Schwellenwertdetektor 8 ein logisches 1-Signal, wie es bei (e) in F i g. 2 gezeigt ist Synchron mit dem 1 -Signal eines Takts Φ eines Taktgenerators 9, wie es bei (f) in F i g. 2 gezeigt ist, wird ein UND-Glied 10 frcigeschaltet und das Flip-Flop 6 zurückgesetzt. Dementsprechend entspricht der Setzzeitraum Tdes Flip-Flop 6 der Eingangsspannung V_1n.

Unter Verwendung des Setzsignals des Flip-Flop 6 als Übertrageingangssignal eines Zählers 11 wird die Anzahl der vom Taktgenerator 9 gelieferten Taktimpulse Φ während des Setzzeitraums T durch den Zähler 11 gezählt. Das Zählresultat erhält man an einem Ausgangsanschiuß 12 als digitales Signal. Dieses digitale Ausgangssignal entspricht daher der analogen Eingangsspannung Vj_n.

Bei einem solchen Umsetzer wird bei hoher Eniladegeschwindigkeit und Detektorgenauigkeit die Umsetzungsgenauigkeit durch das Auflösungsvermögen des Zählers bestimmt. Bei dem oben beschriebenen bekannten Umsetzer hat der Zähler ein Auflösungsvermögen von 1 Taktzeit. Zur Erhöhung der Genauigkeit muß daher die Taktdauer verkürzt werden. Dies ist jedoch nicht unbeschränkt möglich. Wenn man andererseits in Erwägung zieht, die Entladegeschwindigkeit zu vermindern, wird die Umsetzungsgeschwindigkeit klein.

In dem in F i g. 3 gezeigten Analog/Digital-Umsetzer entsprechen die Bezugszeichen 1 bis 12 denjenigen in Fi g. 1. 13 bezeichnet ein UND-Glied, 14 ein Flip-Flop und 15 einen Ausgangsanschluß. Wie später noch beschrieben, werden zwei Taktsignale durch den Taktgenerator 9 erzeugt.

Bei dem Schwelienwertdetektor 8 kann es sich im wesentlichen um einen Inverter handeln, wobei dieser zur Erhöhung der Verstärkung mehrstufig aufgebaut ist. Der Schwellenwertdetektor 8 kann durch einen herkömmlichen Komparator ersetzt sein.

Als Konstantstromschaltung 7 kann eine Schaltung verwendet werden, bei welcher eine herkömmliche Konstantstromquelle und ein Schaltelement, das durch die Ausgangssignale des Flip-Flop 6 ein- und ausgeschaltet werden kann, in Serie geschaltet sind.

F i g. 4 ist ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung der F i g. 3. Φ\ und 0> geben die Taktimpulse an, die durch den Taktgenerator 9 erzeugt werden, (a) und (b) stellen Signalformen in zwei Zuständen dar. In der Abbildung gibt CTdie Klemmenspannung des Kondensators 4, FFi das Ausgangssignal des Flip-Flop 6 und FF? das Ausgangssignal des Flip-Flop 14 an.

Die sich aus den F i g. J und 4 ergebende Ausführungsform der Erfindung ist durch die Verwendung der Taktimpulse 5*i und Φι, welche durch den Taktgenerator 9 erzeugt werden und, wie in F i g. 4 dargestellt, einander gleiche Wiederholfolgezeiten und gegeneinander um im wesentlichen 180° versetzte Phasen haben, und das Vorsehen des UND-Glieds 13, welches an seinen Eingängen des Ausgangssignals des Flip-Flop 6. das Ausgangssignal des Schwellcnwertdetektors 8 und das Taktsignal Φ> erhält, sowie des Flip-Flop 14, welches" durch das vom Steueranschluß 5 kommende Starl-Signal rückgesetzt und durch das Ausgangssignal des UND-Glieds 13 gesetzt wird, gekennzeichnet wobei die Ausgangssignale des Zählers 11 und des Flip-Flop 14 als die Zählausgangs- bzw. digitalen Ausgangssignale verwendet werden.

Die Wirkungsweise der Ausführungsform nach. Fig.3 ist die gleiche wie bei der bekannten Schaltung der Fig. 1, insoweit als der Kondensator 4 über den ' Schalter 3 durch die analoge Eingangsspannung am Eingangsanschluß 1 aufgeladen wird und das Flip-Flop 6 durch das Start-Signal am Eingangsanschluß 5 gesetzt wird, um das Entladen der im Kondensator 4 gespeicherten Ladungen mittels der Konstantstromschaltung 7 zu beginnen. In der Schaltung der F i g. 3 wird das Flip-Flop 14 durch das Start-Signal rückgesetzt.

Sobald die Klemmenspannung des Kondensators 4 auf die Schwellenspannung V,_h abgesunken ist, wird das Ausgangssignal des Detektors 8 »1«. Abhängig von den Zuständen der Takte Φ\ und Φ2 zu dieser Zeit wird der bei (a) oder der bei (b) in Fig.4 dargestellte Status errichtet.

Genauer ausgedrückt veranschaulicht (a) in Fig.4 einen Fall, wo die Klemmenspannung des Kondensators 4 die Schwellenspannung V,/, in einem Zeitintervall 7Ί zwischen dem Abfall des Taktimpulses Φ2 und dem Abfall des Taktimpulses Φ\ erreicht hat. In diesem Fall wird das Flip-Flop 6 durch den Taktimpuls Φ\ zurückgesetzt, wenn die Klemmenspannung den Schwellenwert erreicht hat, wie aus der bei (a) der F i g. 4 gezeigten Signalform FFi ersichtlich ist. Das Setzen des Flip-Flop 14 ist inhibiert und sein Ausgang behält den Rücksetzzusiand bei, wie es aus der bei (a) der F i g. 4 gezeigten Signalform FFz ersichtlich ist.

Andererseits veranschaulicht (b) in Fig.4 den Fall, wo die Schwellenspannung V;, in einem Zeitintervall zwischen dem Abfall des Takimipulses Φ\ und dem Abfall des Taktimpulses Φι erreicht worden ist. In diesem Fall wird das Flip-Flop 14 durch den Takt Φι zuerst gesetzt, wie dies aus der bei (b) in F i g. 4 gezeigten Signalform FF2 ersichtlich ist. und nachfolgend das Flip-Flop 6 durch den Takt Φ\ rückgesetzt, wie dies aus der Signalform FFi ersichtlich ist.

Die so erhaltenen Ausgaben des Flip-Hop 14 und des Zählers 11 werden an den Ausgangsanschlüssen 15 und 12 als die erste Stelle (niedrigswertiges Bit) bzw. als die zweite und die höheren Stellen geliefert. Auf diese Weise erhält man unter der Annahme, daß η der Zählwert des Zählers 11 ist, eine Digitalausgabe von 2 · η im Falle von (a) in F i g. 4 und eine Digitalausgabe von (2 · π + 1) im Falle von (b)in Fig.4. Infolgedessen hat die Ausgabe des Zählers 11 und des Flip-Flop 14 ein Auflösungsvermögen von '/2 Taktzeit, was V2 der Minimalauflösung bei der bekannten Schaltung ist.

Die Takte Φ\ und Φ? können irgendwelche lnipulszüge sein, sofern sie solche Impulsbreiten haben, daß sie

b5 einander nicht überlappen. Die Phasenverschiebung zwischen den Takten <P\ und Φ2 muß nicht exakt 180' betragen. Wenn die Phasenverschiebung von 180° abweicht, ist die Wandlungsgenauigkeit etwas geringer als

bei einer Phasenverschiebung von 180°. jedoch höher als bei dem bekannten Signalwandler.

Die Lade- und Entladeschaltung beschränkt sich nicht auf das dargestellte Beispiel, sondern kann beliebig aufgebaut sein. Ferner kann ein Integrator verwendet werden, der keinerlei Lade- und Entladeschaltung verwendet. Es kann grundsätzlich jede Vorrichtung verwendet weiden, die dafür eingerichtet ist, eine Eingangsspannung in eine entsprechende Zeit umzuwandeln.

Die Ausführungsform der Fig. 3 wurde so beschric- ι ο ben, daß das Flip-Flop 14 durch das Start-Signal rückgcsetzl wird, es kann jedoch ein beliebiges Signal, welches vor Erreichen der Schwellenspannung erzeugt wird, verwendet werden. Das Signal zum Betätigen der Konstamstromschakung 7 muß nicht das Ausgangssignal κ. des Flip-Flop 6 sein, sondern kann irgendein Signal sein, welches von der Zeit des Starts bis wenigstens zum Erreichen der Schwellenspannung anhält. Ferner können die Flip-Flops 6 und 14 durch irgendwelche Vorrichtungen ersetzt sein, welche ein Signal eines bestimmten Werts auf das erste Eingangssignal hin und ein Signal eines anderen Werts auf das zweite Eingangssignal hin liefern. Darüber hinaus können irgendwelche Vorrichtungen anstelle der UND-Glieder 10 und 13 verwendet werden, sofern sie ein Signal eines bestimmten Werts r> bei Vorhandensein einer Anzahl von F.ingangssignalen liefern.

F i g. 5 zeigt den Aufbau einer weiteren Ausfiihrungsform des Signalumsetzers und gibt ein Beispiel eines Umsetzers zur Erzeugung eines Signals, das der Impuls- jo breite eines Eingangssignals entspricht.

In der Figur bezeichnet 16 eine Differenzierschaltung, 17 einen Inverter, 18 einen Eingangsanschluß für einen Eingangsimpuls mit willkürlicher Impulsbreite. Die anderen Bezugszeichen entsprechen denjenigen in F i g. 3.

Fig.6 ist ein Inipulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung der F i g. 5. Φ, und Φ₂ geben die Taktsignale für den Taktgenerator 9 an. (a) und (b) stellen Signalformen jeweils in verschiedenen Zuständen dar. In der Darstellung bezeichnet IN ein Ein- 4η gangssignal am Eingangsanschluß 18, IN ein Ausgangssignal des Inverters 17, FF^ ein Ausgangssignal des Flip-Flop 6 und FF: ein Ausgangssignal des Flip-Flop 14.

Wenn bei der Schaltung der Fig.5 ein Impulssignal mit willkürlicher Impulsbreite am Eingangsanschluß 18 erhalten wird, liefert die Differenzierschaltung 16 einen Differentialimpuls beim Anstieg des Eingangsimpulssignals, wobei dieser das Flip-Flop 6 ersetzt und das Flip-Flop 14 rücksetzt. Andererseits wird das zum Eingangsimpuls invertierte Signal am Inverter 17 geliefert und den UND-Gliedern töund i3zugeführt.

Wenn der Abfall des Eingangsimpulses IN im Zeitintervall 7"i zwischen dem Abfall des Takts Φ₂ und dem Abfall des Takts Φ\, wie bei (a) in F i g. 6 dargestellt liegt, wird das Flip-Flop 6 zurückgesetzt, während, wie schon weiter oben ausgeführt, das Setzen des Flip-Flop 14 inhibiert ist Wenn der Abfall des Eingangsimpulses IN im Zeitintervall T₂ zwischen dem Abfall des Takts Φ\ und dem Abfall des Takts Φ₂. wie bei (b) in F i g. 6 dargestellt Hegt wird zuerst das Flip-Flop 14 gesetzt und das bo Flip-Flop 6 nachfolgend rückgesetzt

Dementsprechend kann die Ausgabe an den Ausgangsanschlüssen 12 und 15, wie schon bei der davor beschriebenen Ausführungsform, eine nennenswert erhöhte Umsetzungsgenauigkeit aufweisen. b5

Bei den Schaltungsanordnungen der Fi g. 3 und 5 ist ebenso ein Aufbau möglich, bei welchem die Takte in den Zähler 11 für eine bestimmte Zeit gegeben werden und die Anzahl der Takte gezählt wird.

Wie oben ausgeführt, werden zwei Takte verwendet, wodurch sich mit einem sehr einfachen Aufbau die Umseizungsgenaiiigkcit nennenswert erhöhen läßt, ohne daß gleichzeitig die Unisetzungsgeschwindigkeit gesenkt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Umsetzen eines Zeitintervalls in einen Digitalwert, mit einem Zähler, der die während des Zeitintervalls von einem Taktgenerator erzeugten Taktimpulse zählt, dadurch gekennzeichne t, daß der Taktgenerator (9) zwei phasenverschobene Taktimpulsfolgen (Φί, Φ 2) gleicher Frequenz erzeugt, daß der Zähler (11) die Taktimpulse der ersten Taktimpulsfolge (Φ1) zählt, und daß eine Ausgangsstufe (14) vorgesehen ist, die ein Ausgangssignal in Abhängigkeit davon liefere ob das Ende des umzusetzenden Zeitintervalls in einen Taktimpuls der ersten oder der zweiten Taktimpulsfolge (Φ1. Φ 2) fällt, wobei der umgesetzte Digitalwert vom Ausgangssignal des Zählers (11) und — bezüglich seiner niedrigsten Stelle — vom Ausgangssignal der Ausgangsstufe (14) gebildet wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Taktimpulsfolgcn {Φ1, Φ 2) um 180° phasenverschoben sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Eingangsstufc (4, 7, 8), die ein

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