DE2915534A1 - Digitalumsetzer fuer analoge physikalische groessen - Google Patents

Description

N.V. Philips· olosila-npir.:^·- -;::, Eindhoven

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"Digitalumsetzer für analoge physikalische Grossen"

Die Erfindung betrifft einen Digitalumsetzer

für analoge physikalische Grossen mit einer ersten Schaltung mit einer ersten Impedanz eines ersten Typs zum Eingeben der zu messenden Grosse und mit einer zweiten Impedanz eines anderen Typs, wobei die erste Schaltung mit einem ersten Impulsgeber und mit einem Schwellendetektor verbunden ist, sowie mit einer Steuereinrichtung die beim Erscheinen eines Impulses aus dem ersten Impulsgeber ein erstes Zeitintervall auslöst und dieses beendet, wenn das elektrische Signal an der zweiten Impedanz eine vorgegebene Schwelle im Schwellendetektor erreicht.

Ein derartiger Umsetzer ist atxs der US-PS 3 672 218 bekannt und bezieht sich insbesondere auf die Messung von Temperaturwerten mit Hilfe eines temperaturabhängigen Widerstands RT als der ersten Impedanz. Die zweite Impedanz besteht hier aus einem Kondensator C. Der direkt proportionale Zusammenhang zwischen der Zeitkonstante der Schaltung mit bestimmtem Widerstandswert und Kapazitätswert und der Dauer des erwähnten ersten Zeitintervalls wird zur Bestimmung des Temperaturwerts benutzt.

Für gute Ergebnisse ist es äusserst wichtig, dass im eingangs erwähnten bekannten Umsetzer der Kapazitätswert des Kondensators besonders konstant ist in bezug auf Temperatur und Zeit. Dies gilt auch für weitere Para-

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meter, z.B. die Schwellenspannung und den Impulsgeber. Schwankungen in all diesen Parametern erfordern Nachstellungen der Messanordnung und sind in hohem Masse zu berücksichtigen. Dasselbe gilt mutatis mutandis für ähnliche Messungen anderer analoger physikalischer Grossen.

Da heutzutage immer mehr Elektronik an der

Stelle von Mechanik in Geräten und Anlagen angewandt wird, vergrössert sich auch die Nachfrage nach einfacher, jedoch zuverlässiger und genauer Digitalumsetzung analoger physi— kalischer Grossen unter der Verwendung elektronischer Mittel. Zum Beispiel erzeugt das wachsende Interesse in der Verwendung von Elektronik in Haushaltgeräten einen Bedarf an elektronischen Messungen von Grossen wie Temperatur, Gewicht, Druck, Verschmutzung des Wassers, usw. Hierbei bilden die eriirähnten Bedingungen mehr und mehr ein wirkliches Hindernis zum Erreichen guter Ergebnisse mit einfachen und zuverlässigen elektronischen Mitteln« Die erwähnten Bedingungen müssen mit komplizierteren Schalt- und Ausgleichsanordnungen erfüllt werdea, wodurch sich nicht nur der Aufwand stark vergrössert ₉ sondern auch mangelhafter Betrieb begünstigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige Lösung für die erwähnten Probleme anzugeben.

Die Aufgabe wird bei einem Umsetzer nach der Erfindung dadurch gelöst, dass er ausserdem eine zweite Schaltung mit einer dritten Impedanz vom ersten Typ, die eine Referenzgrösse einführt.₉ wobei die zweite Schaltung noch als gemeinsamen Teil der beiden Schaltungen die zweite Impedanz enthält und zwischen einem zweiten Impulsgeber und dem Schwellendetektor angeschlossen ist, und eine weitere Steuereinrichtung enthält, die beim Erscheinen eines Impulses aus dem zweiten Impulsgeber ein zweites Zeitintervall auslöst und dieses beendet, wenn das elektrische Signal an der zweiten Impedanz die vorgegebene Schwelle im Schwellendetektor erreicht, wobei die ersten und zweiten Zeitintervalle digitalisiert und in einem Prozessor gemeinsam verarbeitet werden, um die digitale Wiedergabe der

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analogen physikalischen Grosse zu bestimmen.

Da in der Praxis beide Zeitintervalle kurz nacheinander einsetzen, lässt sich voraussetzen, dass einige relevante Parameter, die normalerweise das Ergebnis der Umsetzung beeinflussen, konstant sind. Dies betrifft insbesondere die Schwellenspannung, die Stromquelle, die die Impulse zum ersten und zweiten Impulsgeber erzeugt, und die zweite Impedanz selbst. Weil die zwei Zeitintervalle auf Grund der gemeinsamen Verwendung der zweiten Impedanz ausgelöst werden, erfolgt ausserdem die Beseitigung des Einflusses bestimmter Parameter durch die weitere Bearbeitung dieser Ze it interval liierte und insbesondere durch die Teilung dieser Werte.

Wie bereits erwähnt, gibt es ein wachsendes Interesse für die Verwendung weiterer Elektronik in allen möglichen Geräten und Anlagen. Insbesondere das erhöhte Angebot aller Arten von integrierten Schaltungen, die sich zum Durchführen mehrerer Funktionen in einem oder mehreren IC-Chips eignen, bedeuten eine Herausforderung bei der Such nach Wegen zum Ausnutzen dieser Elemente für die Umsetzung von Funktionen. Um eine besonders vorteilhafte Lösung für einen Digitalumsetzer für analoge physikalische Grossen der bereits erwähnten Art anzugeben, in dem (eine) derartige integrierte Schaltung(en) verwendet werden kann (können), ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung .-der Umsetzer dadurch gekennzeichnet, dass ein programmierter Digitalsignalprozessor den ersten Impulsgeber und den zweiten Impulsgeber und weiter den Schwellendetektor sowie den Prozessor zum Digitalisieren und Bearbeiten der erzeugten ersten und zweiten Zeitintervalle umfasst, wobei der programmierte Digitalsignalprozessor

a» in einer ersten Phase einem ersten Ausgang einen Impuls aus dem darin vorhandenen ersten Impulsgeber erzeugt und an einem ersten. Eingang eine Spannung erhält, die über die zweite Impedanz in der ersten Schaltung zum Vergleichen mit der Schweläenspannnng im Schwellendetektor entsteht, wobei weiter ein. Zähler und ein Speicher das erzeugte erste ZeL tintei-vall digitalisiert und in Form

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einer ersten Impulsfolge speichert, b. in einer zweiten Phase an einem zweiten Ausgang einen Impuls aus dem darin vorhandenen zweiten Impulsgeber erzeugt und an dem ersten Eingang eine Spannung erhält, die über die zweite Impedanz in der zweiten Schaltung zum Vergleichen mit der Schwellenspannung im Schwellendetektor entsteht, wobei weiterhin der vorgesehene Zähler und Speicher das erzeugte zweite Zeitintervall digitalisiert und in Form einer zweiten Impulsfolge speichert, c. in einer dritten Phase die ermittelten ersten und zweiten Zeitintervallwerte aus dem Speicher für die Bestimmung der digitalen Wiedergabe der physikalischen Grosse normal bearbeitet, . ■

In den Fällen, in denen ein derartiger programmierbarer Digitalsignalprozessor, zum Beispiel bestehend aus einer oder mehreren integrierten Schaltungen, zur Durchführung einer Anzahl von Regelfunktionen verwendet wird, geschieht es oft, dass eine oder mehrere physikalischen Grossen im erwähnten Regler eine Rolle spiegel und umgesetzt werden müssen, um sie für weitere Bearbeitung vorzubereiten. Diese Umsetzung kann vom gleichen programmierbaren Digital— Signalprozessor ausgeführt werden, weil er seine Bearbeitungskapazität zwischen den verschiedenen Funktionen verteilt von denen die erwähnte Umsetzung analoger physikalischer Grossen eine ist. Faktisch kann der gleiche Prozessor auch mehrere solcher Umsetzungen ausführen, indem mehrere Ausgangs- und Eingangsstifte und/oder das Multiplexprinzip der Verbindung erster und zweiter Schaltkreise über adressierbare Gatter zu einer Mindestanzahl der Eingangs-und Ausgangsstifte ausgenutzt und dabei die relevanten Kreise in Sequenzen adressiert und die nachfolgenden Umsetzungen durchgeführt werden. Alle diese Möglichkeiten sind mehr oder weniger dem Ergebnis der Verwendung eines derartigen programmierbaren Digitalsignalprozessors inhärent.ς In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden durch die Bestimmung des Mittelwerts aus einer Anzahl aufeinanderfolgender Umsetzungen genaue Umsetzergebnisse. dadurch erreicht, dass der Prozessor einen Speicher.enthält,

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um eine Anzahl von η ziiletzt bestimmten Digitalwxedergaben der physikalischen Grosse zu speichern, und den Mittelwert der η Wiedergaben bestimmt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine besonders vorteilhafte Lösung zum Eingeben der letzten relevanten Wiedergaben einer umgesetzten Grosse in den Prozessor zum Errechnen deren Mittelwerte dadurch gegeben, dass der Speicher ein Schieberegister ist und die Folge von η Wiedergaben beim Eintreffen einer neu bearbeiteten Wiedergabe so verschoben wird, dass die älteste Wiedergabe der Folge entfällt und die erwähnte neue Wiedergabe am Umfang der erwähnten Folge gesetzt wird, wobei aus den letzten η Wiedergaben der Mittelwert berechnet wird.

Um auswertbare Umsetzungsergebnisse auf eine einfache und dennoch genaue Weise zu erreichen, ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Umsetzers dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsmittel die Impulsanzahl des ersten Zeitintervalls durch die Impulsanzahl des zweiten Zeitintervalls teilen, wodurch ein digitaler Quotient (PR) als Wiedergabe der analogen physikalischen Grosse erhalten wird.

Mit diesen Digitalquotienten kann auf vorteilhaften Weise der erwähnte Mittelwert durch die Verwendung der η letzten Digitalquotient (PR) berechnet werden. In diesem Fall wird der Mittelwert auch durch eine Impulszahl (MPR) dargestellt.

Durch die Erzeugung einer Codierung der digital umgesetzten analogen physikalischen Grosse wird ein für den Menschen verständliches Messergebnis erhalten. Mit den erwähnten Digitalquotienten (PR oder MPR). lassen sich diese Codierungen mit Hilfe der verfügbaren, Bearbeitungsmittel im programmierbaren Digitalsignalprozessor bearbeiten. Deshalb ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Umsetzers dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Codierung (BCDR) des Digitalquotienten (PR) oder deren Mittelwert (MPR) entsprechend der Beziehung zwischen dem Digitalquotienten oder dessen Mittelwert und der Codierung (BCDR) der Digitalquotient oder dessen

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Mittelwert durch einen Teilungsvorgang mit einer Anzahl von m Impulsen segmentiert und dabei die Segmentbreite, für jedes, in einem weiteren Speicher zu speichernde Segment eine charakteristische Adressenimpulsreferenz (LPR) und ein tang- 06 -¥ert angegeben werden, wobei oC den ¥inkel der erwähnten Beziehungskurve an der Stelle des relevanten Segments bezeichnet und durch die Verwendung dieser Daten die erwähnten Bearbeitungsmittel die Codierung (BCDR) nach (LPR-(m)PR) tangOC- berechnet. Insbesondere wird die Berechnung eines binärcodierten Dezimalergebnisses erforderlich sein. - -

Ausführungsbeispiel der Schaltung und des programmierbaren Digitalsignalprosessors des Umsetzers werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, wobei'« zu bemerken ist, dass diese Erläuterung legidlich ein Beispiel aus der Fülle von Möglichice it en ist und die Erfindung keineswegs beschränkt. Es zeigen

Fig. 1 eine erste A.usführungsform eines Umsetzers nach der Erfindung,

Fig. 2 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktion des Umsetzers nach Fig. 1₉

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Umsetzers mit einem programmierbaren Digitalsignalprozessor · nach der Erfindung,

Fig» ^ Zeitdiagramme für den Umsetzer nach Fig.

Fig. 5s 6 und 7 Beispiele von Ablaufdiagrammen zur Veranschaulichung des Hintergrunds einer kompletten Anlage mit dem Umsetzer nach Fig. 3 s>

Fig. 8 ein Ablaufdiagramm einer Messroutine mit Hilfe des Umsetzers nach Fig. 3s

Fig. 9 ein Beispiel einer Bytefolge, wie im Ablaufdiagramm nach Fig. 8 verwendet,

Fig. 10 eine graphische Darstellung einer Be-Ziehung zwischen Digitalquotienten und binärcodierten Werten in Dezimaldarstellung.

In Fig. 1 ist ein Beispiel einer kompletten Hardware eines Umsetzers nach der Erfindung dargestellt. Eine

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erste Schaltung enthält eine erste Impedanz RM eines ersten Typs, in diesem Beispiel einen Widerstand, der zum Eingeben einer umzusetzenden Grosse dient. In diesem Beispiel kann der Widerstand ein temperaturabhängiger Widerstand, ein gewichtsabhängiger oder ein druckabhängiger Widerstand, usw. sein. Die erste Schaltung enthält weiter eine zweite Impedanz C eines zweiten Typs, in diesem Beispiel einen Kondensator. Eine zweite Schaltung enthält die zweite Impedanz C mit der ersten Schaltung gemeinsam. Die zweite Schaltung enthält weiter eine dritte Impedanz RR ebenfalls vom ersten Typ. In diesem Beispiel ist RR ein Widerstand. RR erzeugt eine Referenzgrösse in der zweiten Schaltung. Beide Schaltungen sind mit einem ersten Impulsgeber PS1 und mit einem zweiten Impulsgeber PS2 verbunden. In diesem Beispiel werden PS1 und PS2 von der Hauptimpulsquelle PS ab, deren Impulse einem Teiler DIV zugeführt werden, der PS1 und PS2 als zwei getrennte Impulssignale erzeugt. Siehe Fig. 2 die mit PS, PS1 und PS2 bezeichneten Linien.

In dieser Fig. 2 sind Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Umsetzers nach Fig. 1 dargestellt. Sie werden zusammen mit der Beschreibung an Hand der Fig. 1 erläutert. Beide Schaltungen sind an einen gemeinsamen Schwellendetektor DT angeschlossen. Eine am Kondensator C ansteigende Spannung Vc erreicht diesen Detektor DT. Weiterhin gelangt eine Referenzspannung Vo an DT als eine vorbestimmte Schwelle. Der Umsetzer nach Fig. 1 enthält weiter noch eine Anzahl von Steuerschaltungen zum Erzeugen eines ersten und zweiten Zeitintervalls. Diese Steuerschaltungen bestehen im Beispiel nach Fig. 1 aus den Differenzierern D1 und D2 zum Differenzieren des Anfangs der PS1 und PS2 zugeführten Impulse, UND-Gattern A1, A2, A3, E1 und E2 sowie dem bistabilen Flipflop FF. Die Digitalisierung und Weiterverarbeitung der erzeugten Zeitintervalls erfolgt in Bearbeitungs-schaltungen die im Beispiel nach Fig. 1 mit PCT als Impulszähler, RP1 und RP2 als Registern und mit PM als Recheneinheit bezeichnet sind. UND-Gatter E3 und E4 sind Uebertragungsgatter zürn Uebertragen des Inhalts des Zählers PCT auf das Register RP1 bzw. RP2, wenn das Steuer-

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programm der Steuerschaltung dies veranlasst. *

Die Wirkungsweise des Umsetzers nach Fig. 1 ist wie folgt. Der Impuls PS 1, der am Anfang vom Differenzierer D1 in PI differenziert wird, setzt den Flipflop FF (siehe Fig. 2). Hierdurch führt der Ausgang FF1 ein logisches "1"-Signal, und weiterhin löscht dieser differenzierte Impuls den Zähler PCT über seinen Löscheingang CTC. Beim Erreichen dieses Zustande ist das UND-Gatter A1 vorbereitet, um den Impuls PS1 zur ersten Schaltung, d.h. zur Serienverbindung von RM und C durchzulassen. Es entsteht eine Spannung Wc 1 an C (siehe Fig. 2). Auf gleiche Weise wird das UND-Gatter E1 zum Durchlassen der von einer Zählimpulsquelle CL erzeugten Impulse vorbereitet. Diese Impulse gelangen in den Zähler PCT. Ein erstes Zeitintervall T1 (siehe Fig. 2 - Linie Vd ) beginnt. Die Dauer des Intervalls T1 wird durch die Dauer des Anstiegs von Vc1 bestimmt. Beim Erreichen der Schwellenspannung Vo durch Vc1 erzeugt der Detektor DT ein Befehlssignal aum Schaltflipflop FF, so dass der Ausgang FF1 ein logisches "O"-Signal (und der Ausgang FF2 ein logisches "1"—Signal) führt. Hierbei werden die Gatter A1 und E1 gesperrt, so dass dei· Zählvorgang für die Impulse in PCT beendet wird. Der Inhalt von PCT stellt die Dauer des ersten Zeitintervalls T1 dar. Beim Erscheinen des logischen "1"- ■ Signals am Ausgang FF2 von FF öffnet sich das UND-Gatter A3 und dient dabei zum Entladen des Kondensators C. Faktisch sind die Periodenlängen von PS1 und PS2 so lang zu wählen, dass bei der höchstmöglichen Spannung Vc am Kondensator immer genügend Zeit in diesen Perioden zum vollständigen Entladen des Kondensators C übrigbleibt. Weiter öffnet dieses logische "1"-Signal an FF2 das Gatter E3 (durch PS1 selbst vorbereitet), wodurctu/der Inhalt des Zählers PCT auf das Register RF1 übertragen wird (siehe weiter Fig. 2, letzte Linie). '

Am Ende des Impulses PS1 startet jetzt der Impuls PS2, d.h. über den Differenzierer D2 löscht der Impuls P2 den Zähler PCT, und der Flipflop FF wird abermals gesetzt (FF1 führt ein "1"-Signal). Das Gatter A2 ist jetzt zum Durchlassen des Impulses PS2 zur zweiten Schaltung mit

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RR und C bereit. Jetzt erfolgt ein Spannungsanstieg Vc2 über C, siehe Fig. 2. Wie oben bereits erwähnt, kommen jetzt Zählimpulse von CL über das UND-Gatter E2 im Zähler PCT an. Das zweite Zeitintervall T2 hat angefangen und läuft bis zum Zeitpunkt weiter, zu dem Vc2 den Vo-Bezugspegel erreicht. Sodann wird FF zurückgestellt, und durch den Inhalt des Zählers PCT ist T2 bestimmt. Durch das Gatter A3 entlädt sich wiederum der Kondensator C, und der Inhalt von PCT wird über das Gatter Eh auf das Register RP2 übertragen. Zusammenfassend kann folgendes festgestellt werden: Bekanntlich steigt die Spannung über eine Kapazität C in einer Serienschaltung mit einem Widerstand R entsprechend Vc = V.(i-e~ ' ). Unter Verwendung der gleichen Schaltung und der gleichen Spannung zweimal kurz nacheinander kann, man annehmen, dass das Ergebnis gleich ist. Mit dieser Anordnung mit nur einer geänderten Impedanz gilt das gleiche, nur dass das Ergebnis von der erwähnten Aenderung allein beeinflusst wird. In der beschriebenen Einrichtung wird folgendes Ergebnis erreicht. Vc=Vo=V(i-e ' ) = v(i-e-^T2/^RR-^C), d.h. ^T1/RM = ^T2/RR oder ^RM/RR = ^T1/T2 bei einer Teilung der Ergebnisse. Wenn T1 und T2 bekannt und in die Register RP1 und RP2 eingeschrieben sind, ist die physikalische, zu messende und durch den RM-Wert dargestellte Grosse ist im Zusammenhang mit RR bekannt, der eine Referenzimpedanz vom gleichen Typ (hier Widerstand) ist und also als eine Konstante betrachtet werden kann. Selbstverständlich können auch andere Berechnungen zum Erhalten anderer Gleichungen durchgeführt werden. Weiter können andere Impedanzen verwendet werden, zum Beispiel Widerstände in Verbindung mit Induktivitäten oder Kapazitäten in Verbindung mit Induktivitäten oder Kombinationen dieser drei Impedanzarten. In jedem Fall können abhängig von der Art des zu messenden physikalischen Werts und von der Weise des Eingebens dieses Werts in die erste Schaltung können vorteilhafte Kombinationen von Elementen verwendet werden, wenn nur dabei unter allen Bedingungen eine gute Schwellendetektion gewährleistet ist.

In der Beschreibung des Umsetzers mit einem

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programmierbaren Digitalsignalprozessor werden weitere Einzelheiten hinsichtlich der bevorzugten Verarbeitung der erhaltenen Zeitintervalle in Digitaldarstellung angegeben.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform eines Umsetzers dargestellt. Diese Ausführungsform betrifft eine bevorzugte Ausführungsform unter Berücksichtigung desjenigen, das zuvor über die integrierten Schaltungen mit der Möglichkeit zum Durchführen einer Anzahl von Funktionen gesagt wurde. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird ein programmierbarer Digitalsignalprozessor MP benutzt. Dieser Prozessor wird oft mit Mikroprozessor bezeichnet, der nicht nur Bearbeitungsmittel, sondern auch Speicherkapazität enthalten kann, d.h. sowohl einen Festwertspeicher als auch einen Lese/Schreib-Direktzugriffspeicher. Diese Arten sind bekannt, als Referenz sei hier Intel Typ 8o48 genannt. Zum anderen können selbstverständlich andere Arten von programmierbaren Digitals.ignalprozessoren benutzt werden, zum Beispiel einer mit weiteren Bearbeitungsmöglichkeiten und mit Zugriff zu externen Festwert- und Lese/Schreib-Speichern durch Uebertragung von Daten über seine Eingangs—/Ausgangsleitungen. Als Referenz sei hier auf Signetics 265Ο verwiesen. In der Organisation unabhängig mit einem oder mehreren IC-Chips werden die erwähnten Prozessoren mit dem Speichers3'-stem und mit seinem Eingangs-/Ausgangssystem im allgemeinen als Mikrocomputer bezeichnet.

Der programmierbare Digitalsignalprozessor MP einen Eingang VB für eine Speisespannung. Der erste Ausgang A dient für die Erzeugung von Impulsen auf die Leitung PS1 (vergleiche diese Leitung mit der gleichen Leitung in Fig.

1). Diese Impulse werden vom ersten Impulsgeber im Prozessor MP erzeugt. Dieser Impulsgeber ist ein programmiertes System in MP zur Lieferung eines Impulses aus der Speisespannung, die mit dem erwähnten Eingang VB verbunden ist, an ein Ausgangsgetter, an das der Ausgang A angeschlossen

ist. .

In Fig. h sind Zeitdiagramme für den Umsetzer nach Fig. 3 dargestellt, xiobei die Bezeichnung VB die Höhe der erwähnten Impulse am Ausgang A und weiterhin am Ausgang

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B angibt. Der zweite Ausgang B hat die gleiche Funktion vie der Ausgang A, jedoch erscheinen die vom zweiten Impulsgeber erzeugten Impulse in einer zweiten Phase PH2 nach einer ersten Phase PH1, siehe Diagramme in Fig. h.

Daher hat das programmierte System in MP eine erste Phase PH1, in der an den Ausgang A ein erster Impuls PS1 für die erste Schaltung mit den Impedanzen RM, C und RS gelangt. In einer zweiten Phase PH2 gelangt an den Ausgang B ein zweiter Impuls PS2 für die zweite Schaltung mit den Impedanzen RR, C und RS.

In diesem Beispiel sei angenommen, dass RM ein Widerstand zum Eingeber zu messender Temperaturen ist. Beispielsweise kann RM ein NTC-Widerstand sein. RR ist ein Referenz¹^! der stand, C ein Kondensator und RS ein hochohmiger Nebenschlusswiderstand zum Entladen von C nach dem Ladevorgang mit den erwähnten Speiseimpulse aus A bzw. B. Schliesslich hat der Prozessor MP einen Eingang Vo zum Empfangen der Spannung Vc, die beim Aufladen am Kondensator C entsteht. Der erwähnte Eingang ist in MP mit einem Element von MP verbunden, das als Schwellendetelctor dient. Dieser kann ganz einfach eine Triggerschaltung sein, die triggert, wenn sie eine Spannung Vc-Vo erreicht. Hiermit sind ein erstes Zeitintervall T1 und ein zweites Zeitintervall T2 (siehe Fig. k) erzeugt. Als Referenz bei der Verwendung des programmierbaren 8o48-Prozessors können die erwähnten Ausgänge A und B zwei Datenbuseingänge, z.B. DB3 und DB4 sein, d.h. Anschlüsse 15 und 16 des 8048-Prozessors. Als Eingang Vo kann der To-Eingang, d.h. der Anschluss 1 von 8Oit8 benutzt werden. Der Prozessor MP enthält einen Zähler und einen Speicher zum Digitalisieren und Speichern der eisten und zweiten Zeitintervalle T1 und T2. Der Zähler startet den ImpulsZählvorgang von einem internen Taktgeber bei der Erzeugung der Impulse aus dem Ausgang A bzw. B. Der Zählvorgang stoppt zu dem Zeitpunkt, zu dem Vc=Vo erreicht ist (siehe Fig. k, die mit RM bzw. RR bezeichneten Kurven). Zur Veranschaulichung stellen die vertikalen Striche in den Impulsen VB nach Fig. k die Zählung im Zähler dar. Abschnitt DCII der Kurven nach Fig. h (in den ersten und zweiten

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Phasen PH1 und PH2) stellt die Entladung des Kondensators C über den Nebenschlusswiderstand RS dar.

Schliesslich ist in einer dritten Phase PH3 (siehe Fig. h) ein Zeitraum zum weiteren Verarbeten des digitalisiei-ten ersten und zweiten Zeitintervalls belegt. Dieser Verarbeitungsvorgang betrifft die Bestimmung der digitalen ungesetzten Darstellung der analogen physikalischen Grosse (in diesem Beispiel die Temperatur). Dieser Verarbeitungsvorgang zum Erzeugen und Digitalisieren der Zeitintervalle werden auf einfache Weise durch die Programmierung des erwähnten Digitalsignalprozessors erreicht. Abhängig von der Art des Ergebnisses kann der Verarbeitungs-Vorgang verschiedene Formen haben. Ein bevorzugtes und besonders vorteilhaftes Verfahren wird nachstehend erwähnt.

Zusammen bilden die erste, die zweite und die dritte Phase einen kompletten Zyklus CY1 (siehe Fig. h - CY1 und CY2) für eine vollständige Bestimmung des Werts der physikalischen Grosse. Normalerweise werden wenigstens eine Anzahl dieser Zyklen für die Bestimmung eines Mittelwerts der erwähnten Grosse benötigt. Faktisch ist die Zeitspanne zwischen jeder ersten und zweiten Phase so kurz, dass die Parameterwerte , die in das Ergebnis Fehler· einführen könnten, als konstant betrachtet werden. Die Parameterwerte können sich, über einen grossen Bereich in einem längeren Zeitraum ändern, ohne Fehler zu verursachen. Auch der Kondensator C und sorgar der Signalprozessor MP können geändert werden, ohne dass eine Kalibrierung erforderlich wird, weil die Anlage selbsteinstellend ist. Die einzige erforderliche Kalibrierung ist die Kalibrierung von RR, der Referenzimpedanz wegen der möglichen Verwendung verschiedener Typen der Impedanz RM, die die umzusetzende Grosse eingibt. Dies gilt auch in bezug auf die Kalibrierung von RR für Grosstoleranz-Impedanzen RM zum Erhalten äusserst genauer Ergebnisse.

Fig. 5> 6 und 7 zeigen Beispiele von Ablaufdiagrammen zur Veranschaulichung einer kompletten Anordnung, die den Umsetzer mit dem programmierbaren Digitalsxgnalprozessor enthält. ■

In Fig. 5 ist das Hauptprogramm MPR dargestellt.

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Dieses Hauptprogramm überträgt bei einem Start ST die Daten von einer Stelle im Prozessorspeicher mit der Bezeichnung DISTEM zu einer Stelle im Speicher mit der Bezeichnung DATDIS. Die erwähnte DISTEM-Stelle dient zum Sammeln des Ergebnisses einer vollständigen Umsetzung nach jeder dritten Phase des Verfahrens (siehe das Diagramm nach Fig. 8), Die Uebertragung auf DATDIS bedeutet die Speicherung des erwähnten vollständigen Ergebnisses an einer Speicherstelle, die auch weiter verwendet werden kann. Diese weitere Verwendung kann die Regelung eines Heizkörpers (bei einei" Temperaturmessung) oder die Regelung anderer physikalischer Grossen in einer Anordnung und/oder die Wiedergabe der Werte verschiedener physikalischer Grossen sein. In vielen Fällen wird auch das erwähnte vollständige Ergebnis dargestellt, wie nachstehend als Beispiel beschrieben wird (Fig. 7)·

In Fig. 6 ist ein sogenanntes Unterbrechungsprogramm INTR dargestellt. Dieses Programm startet jedesmal den Zyklus (Phasen 1, 2 und 3)> in dem die physikalische Grosse behandelt wird. In diesem Beispiel erzeugt der Prozessor jede 10 ms einen Unterbrechungsimpuls. Im Prozessor ist ein Unterbrechungenzähler CI mit einem Inhalt angeordnet, der bei jedem Unterbrechungsimpuls um einen Schritt herabgesetzt wird, siehe Fig. 6, Diagrammblock DECI. Im Schmitt CI wird der Iniaalt des Unterbrechungen-Zählers auf den Zustand Null (=0) oder nicht Null (^ θ) geprüft. Ist der Inhalt Null, wird der Unterbrechungenzähler mit einem Inhalt NC (siehe Schritt MNCl) gespeist, der die Länge eines kompletten UmsetzungsZyklus angibt. Im Block MR wird dann der Mess-(MR)-Zyklus durchgeführt. Am Ende dieses Zyklus läuft das Unterbrechungsprogramm INTR ab. Jede 10 ms wird der Inhalt des Zählers CI um eins herabgesetzt. Für die Dauer CI^O, gibt es keinen neuen S-^art eines neuen Messzyklus (MR) , weil der Prozessor noch mit einem früher gestarteten Umsetzungszyklus beschäftigt ist. Für eine detaillierte Beschreibung des Umsetzungszyklus MR sei auf nachstehende Beschreibung an Hand der Fig. 8 verwiesen.

In Fig. 7 ist ein Wiedergabeprogramm DPR dar-

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gestellt, wobei nach, einem Start ST ein Abruf (CA) für den Inhalt der Speicherstelle DATDIS erfolgt. Geraäss dem Programm wird dieser Inhalt durch den Wiedergabebefehl DPDATDIS dargestellt. Also erfolgt die Wiedergabe mit diesem Programm.

In Fig. .8 ist ein detailliertes Ablauf diagramm eines Umsetzungszyklus MR für ein vollständiges binärcodiertes Messergebnis dargestellt. Im Ünterbrechungsprogramm INTR (Fig. 6) wird der Start der Phase PH1, PH2 oder PH3 ausgelöst: STMR im oberen Teil der Fig. 8. Gemäss diesem Start erzeugt der Speicher ein Byte mit der Bezeichnung BGMT, das im Programmschritt 1 angedeutet wird. In 1 wird insbesondere das unbedeutsamste Bit (Bo) auf den "1"-(Bo=I) oder "0"-Zustand geprüft. Wenn Bo=1 ist, läuft das Programm über Y zum Schritt 2 weiter. Hier startet die erste Phase PH1 der Umsetzung. Siehe auch Fig. 9, in der der Inhalt des erwähnten Bytes BCIIT in bezug auf die vom Byte gesteuerten Verfahren getrennt dargestellt ist. Im Programmschritt 2 wird das unbedeutsamste Bit Bo auf "O'^! (RBo ^ θ) zurückgestellt. Im Programmschx"itt 3 gelangt der erste Impuls PS1 für die erste Schaltung zum Ausgang A, also führt die Leitung PS 1 die VB-Spannung. (Vgl. Fig. 3 und 4). Inzwischen wird durch, den Schritt h der Impulszähler des Prozessors zurückgestellt:RPCM. Anschliessend startet im Schritt 5 der Zählvorgang, und solange im Schritt 6 keine detektierte Koinzidenz der Spannung an C, also Vc gleich der Schwellenspannung Vc, erfolgt ist, zählt der Zähler ununterbrochen die zugeführten Taktimpulse (durch Schritte mit 1 Inkrement). Zum Zeitpunkt, zu dem Vc=Vo, stoppt der Zählvorgang (Zeitintervall T¹ ist bestimmt) und der Inhalt (zum Beispiel CMP) des Impulszählers wird auf den Speicher· übertragen: siehe Programmschritt 7* PCMM. Weiter wird durch den Programmschritt 8 in diesem Fall der Ausgang A zurückgestellt, d.h. der Impuls verschwindet. Hier endet die erste Phase PH1. Das folgende Unterbrechungsprogramm löst die zweite Phase PH2 durch Aussenden des Bytes BCMT jetzt mit dem Wert "00" in den Messzyklus MR aus. Also trifft "00" über STMR ein. Im Schritt 1 wird detektiert, dass Bo=O, also φλ , somit wird der Programmzweig gewählt. Das Programm fängt

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beim Schritt 9 an. Hier wird detektiert, dass Bl=O, also ^l, und das Programm durch N erreicht den Schritt 10. Hier wird das bedeutsamste Bit Bl des Bytes BCMT auf."1" gesetzt. Also ist das Byte BCMT=IO . An diesem Punkt erreicht der zweite Impuls den Ausgang B, Schritt 11. Mithin führt die Leitung SP" VB-Spannung für die zweite Schaltung. Hierbei wird der Impulszähler erneut auf Null zurückgestellt: RPCM, Schritt 4 des Programms. Darauf wird der ganze Vorgang wie oben erwähnt wiederholt. Nunmehr wird das zweite Zeitintervall in den Schritten 5 und 6 erzeugt. Wenn Vc=Vo ist in der zweiten Schaltung, wird das Ergebnis des Zählvorgangs (z.B. CRP) auf den Speicher übertragen (Schritt 7). Weiterhin verschwindet in diesem Fall am zweiten Ausgang B der zweite Impuls: RB (Schritt 8). Hier geht die zweite Phase PH2 zu Ende.

Das' weitere Unterbrechungsprogramm startet die nächste Phase, d.h. die Phase PII3. Byte BCMT = 10 trifft in dem Programm ein und ergibt ein "N" beim Schritt 1 nach FIg. 8. Im Schritt 9 erscheint ein "Y", so dass das Programm in die berechnende Phase PH3 übergeht. Im Schritt 12 wird das Byte BCMT zurückgestellt: RBCMT. Hiermit wird BCMT erneut "01". Im Schritt I3 berechnet der Prozessor in diesem Beispiel den Quotienten der Zählergebnisse CMP und CRP, die die Zeitintervalldarstellungen CMP/CRP wiedergeben. Für Skalenteilungszwecke kann dieser Quotient mit einer bestimmten Zahl multipliziert werden. Da.s Ergebnis dieses Programmschritts ist mit PR bezeichnet, die eine Impulsdarstellung der physikaüsehen Grosse ist. Im Schritt lh erfolgt die Verschiebung SH einer Anzahl von η früheren Ergebnissen PR über eine Stufe, um das früheste Ergebnis entfallen zu lassen und das neueste Ergebnis PR in die Folge von η einzufügen. Diese Verschiebung kann als eine Bewegung in einem Stapel von η Registern erfolgen, in den das neueste PR bei der ersten Stufe eintritt, wobei die früheren Ergebnisse zu den entsprechenden folgenden Stufen weitergeschoben und das früheste Ergebnis entfällt, indem es aus dem Stapel herausfällt. Andere Lösungen mit verschiedenen Speicherregelorganisationen sind selbstverständlich möglich.

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Die Gruppe von η Ergebnissen PR werden addiert und durch den Faktor η geteilt, so dass der Mittelwert MPR = ^ CPTi/ erhalten wird. Durch die Schritte 16 bis I9 wird ein Verfahren durchgeführt, um eine binärcodierte Dezimaldarstellung BCDR der erwähnten MPR-Mittelwertdarstellung der physikalischen Grosse zu erzeugen. Diese BCDR ist entsprechend der Beziehung zwischen dem erwähnten Mittelwert MPR und der binärcodierten Dezimaldarstellung BCDR gebildet (Schritte 16 bis 18 und Codeumsetzung im Schritt 19)· Als Beispiel in Fig. 10 ist eine Beziehung zwischen MPR-Werten in der Darstellung als Impulszahlen und BCDR-Werten in der Form binärcodierter Dezimalzahlen gezeigt, die für Menschen verständliche Temperaturwerte darstellen. Zum Erhalten einer codierten und insbesondere einer binärcodierten Darstellung BR wird die mittlere Impulsdarstellung MPRx durch einen TeilungsVorgang mit einer Anzahl von'm Impulsen, zum Beispiel m = 20 Impulse, segmentiert, wobei die Segmentbreite angegeben wird. Der Wert für m wird so gewählt, dass in den Segmenten So und Si die Kurve als

20.linear betrachtet werden kann. Im Speicher des Prozessors werden für jedes Segment Si entsprechende relevante Werte LPRi und Tang °*- i gespeichert. Der Winkel od i ist der Winkel des relevanten Segments Si zur horizontalen Achse. LPRi ist die Anzahl der Impulse am Knotenpunkt der Tangente der Kurve in Si und der horizontalen Achse. In Fig, IO bezeichnet O^ 1 die Kux-vensteilheit (Neigung) für das Segment Sl, und LPRl bezeichnet die erwähnte Stellenimpulsreferenz für dieses Segment Sl. Also enthält der Speicher in diesem Beispiel zumindest eine Anzahl von zwölf Speicherstellen, die durch die relevanten Segmente So, Sl, ... SIl addressierbar sind, wobei bei jeder Speicherstelle die Tang O^i und der LPRi-Wert gespeichert werden. Beim Schritt 16 be-; zeichnet ALT den Adressierungsvorgang für die Speicherstelle, wobei die Werte von LPRi und Tang Q£ i ausgelesen werden, die dem Segment entsprechen, in dem der Wert der zuvor (im Schritt I5) erhaltenen Impulsdarstellung MPR fällt. Dieser Adressierungsvorgang erfolgt mit Hilfe des

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Quotienten zwischen MPR und m, vervielfacht um einen Faktor zum Beispiel 2. Im Schritt 17 wird eine Basisadresse LLT dem Ergebnis des Schritts 16 zugefügt, welcher Zusatz die Adresse erzeugt, bei der die Stelle Tang ÖL. 1 und LPRi gespeichert wird (Anzeige ALT + LLT im Block 17)· Im Schritt 18 erfolgt die Berechnung der Binärdarstellung des Temperaturwerts entsprechend der Gleichung BR = (LPR - MPR) Tang- GC. Also wird für ein bestimmtes MPRx, das im Schritt 15 erhalten wurde , die. binärcodierte Darstellung BRx der gemessene physikalische Grosse durch die Verwendung der gespeicherten LPRx- und Tang OCx-Kennlinien gefunden, die zum Segment Sx gehören, in das MPRx fällt. Im Schritt 19 erfolgt die endgültige Umsetzung in einen binärcodierten Dezimalwert BCDR=Tx. Hiermit geht die Phase PH3 zu Ende, und das Ergebnis BCDR kommt an der Speicherstelle DISTEM an (Schritt 2θ). (Ab dieser Stelle wird das Ergebnis auf die Speicherstelle DATDIS übertragen, siehe Fig. 5). Am Ende des Schritts 20 kehrt das Programm zum Unterbrechungsprogramm zurück, das, wenn die Phase PH3 beendet ist, selbst abläuft (siehe Fig. 6).

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.3

L e e r s e i t e

Claims (1)

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PATENTANSPRÜCHE .·

1« Digitalumsetzer für analoge physikalische

Grossen mit einer ersten Schaltung mit einer ersten Impedanz eines ersten Typs zum Eingeben der zu messenden Grosse und mit einer zweiten Impedanz eines anderen Typs, wobei die erste Schaltung mit einem ersten Impulsgeber und mit einem Schwellendetektor verbunden ist_s sowie mit einer Steuereinrichtung, die beim Erscheinen eines Impulses aus dem ersten Impulsgeber ein erstes Zeitintervall auslöst und dieses beendet wenn das elektrische Signal an der zweiten Impedanz eine vorgegebene Schwelle im Schwellendetektor erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Umsetzer ausserdem eine zweite Schaltung mit einer dritten Impedanz vom ersten Typ, die eine Referenzgrösse einführt_s wobei die zweite Schaltung noch als gemeinsamen Teil der beiden Schaltungen die zweite Impedanz enthält und zwischen einem zweiten Impulsgeber und dem Schwellendetektor angeschlossen ist, und eine weitere Steuereinrichtung enthält, di.e beim Erscheinen eines Imptilses aus dein zweiten Impulsgeber ein zweites Intervall auslöst und dieses beendet wenn das elektrische Signal an der zweiten Impedanz die vorgegebene Schwelle im Schwellendetektor erreicht, wobei die ersten und zweiten Zeitintervalle digitalisiert und in einem Prozessor gemeinsam verarbeitet werden, um die digitale Wiedergabe der analogen physikalischen Grosse zu bestimmen.

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2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein programmierter Digitalsignalprozessor den ersten Impulsgeber und den zweiten Impulsgeber und weiter den Schwellendetektor sowie den Prozessor zum Digitalisieren und Bearbeiten der erzeugten ersten und zweiten Zeitintervalle umfasst, wobei der programmierte Digitalsignalprozessor a. in einer ersten Phase an einem ersten Ausgang einen Impuls aus dem darin vorhandenen ersten Impulsgeber erzeugt und an einem ersten Eingang eine Spannung erhält, die über die zweite Impedanz in der ersten Schaltung zum Vergleichen mit der Schwellenspannung im Schwellendetektor entsteht, wobei weiter ein Zähler und ein Speicher das erzeugte erste Zeitintervall digitalisiert und in Form einor ersten Anzahl vin Impulsen speichert,

b. in einer zweiten Phase an einem zweiten Ausgang einen Impuls aus dem dar vorhandenen zweiten Impulsgeber erzeugt und an dem ermähnten ersten Eingang eine Spannung erhält, die über die zireite Impedanz in der zweiten Schaltung zum Vergleichen mit der Schwellenspannung im Schwellendetektor entsteht, xiobei weiterhin der vorgesehene Zähler und Speicher das erzeugte zweite Zeitintervall digitalisiert und in Form einer zweiten Anzahl von Impulsen speichert, c. in einer dritten Phase die ermittelten ersten und zweiten Zeitintervallwerfce aus dem Speicher für die Bestimmung der digitalen Wiedergabe der physikalischen Grosse bearbeitet .

3· Umsetzer nach Aiii-ipruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor einen Speicher enthält, um eine Anzahl von η zuletzt bestimmten Digitalwiedergaben der physikalischen Grosse zu speichern, und den Mittelwert der η Wiedergaben bestimmt.

h. Umsetzer nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher ein Schieberegister ist und die Folge von η Wiedergaben beim Eintreffen einer neu bearbeiteten Wiedergiibe so verschoben wird, dass die älteste Wiedergabe der Folge erit-fällt und die neue Wiedergabe am Anfang der erwähnten Folge gesetzt wird, wobei aus den letzten η Wiedergaben der Mittelwert berechnet wird.

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5. Umsetzer nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbextungsmittel die Impulsanzahl des ersten Zeitintervalis durch die Impulsanzahl des zweiten Zeitintervalls teilen, wodurch ein digitaler Quotient (PR) der analogen physikalischen Grosse erhalten wird.

6. Umsetzer nach Anspruch 3 und 5> dadurch gekennzeichnet, dass die η zuletzt erhaltenen Quotienten (PR) im Speicher zur Berechnung deren Mittelwerts (MPR) gespeichert werden.

7. .Umsetzer nach den Ansprüchen 2 und 5 oder 2 und

6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Codierung (BCDR) des Digitalquotienten (PR) oder der deren Mittelwert (MPR) entsprechend der Beziehung zwischen dem Digitalquotienten oder dessen Mittelwert und der Codierung (BCDR) der Digitalquotient oder dessen Mittelwert durch einen Teil— ungsvorgang mit einer Anzahl von m Impulsen segmentiert und dabei die Segmentbreite für jedes, in einem weiteren Speicher zu speichernde Segment eine chrakteristische Adressenimpulsreferenz (LPR) und ein Tang- (X.-Wert angegeben werden, wobei O^ den Winkel der erwähnten Beziehungskurve an der Stelle des relevanten Segments bezeichnet, und durch die Verwendung dieser Daten die erwähnten Bearbeitungsmittel die Codierung (BCDR) nach (LPR-(m)PR).Tang OC berechnet.

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