DE2932371C2 - Analog-digital converter with a comparator for processing bipolar input voltages - Google Patents
Analog-digital converter with a comparator for processing bipolar input voltagesInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Konverter mit einem Komparator zur Verarbeitung bipolarer Eingangsspannungen unter Hinzufügung einer unipolaren Zusatzspannung eines Wertes, der die Gesamtspannung für jede vorkommende Eingangsspannung unipolar macht. Ein derartiger Konverter ist in der DE-OS 20 33 510 im den Stand der Technik abhandelnden Teil der Einleitung beschrieben.The invention relates to an analog-digital converter with a comparator for processing bipolar input voltages with the addition of a unipolar additional voltage of a value that corresponds to the Makes total voltage unipolar for each occurring input voltage. One such converter is in DE-OS 20 33 510 in the part of the introduction dealing with the state of the art.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen integrierenden Analog-Digital-Konverter, wie beispielsweise einen Dual-Slope-Konverter, unter Wahrung des bekannten Prinzips der Überlagerung einer bipolaren Meßspannung mit einer diese überwiegendenThe invention was based on the object of providing an integrating analog-digital converter, such as, for example, a dual-slope converter, while maintaining the known principle of superimposing a bipolar measuring voltage with one of these predominating unipolaren Zusatzspannung so auszustatten, daß neben der Meßspannungsumwandlung der Fehlerermittlung dienende Referenzumwandlungen ausführbar sind.equip unipolar additional voltage so that besides the measurement voltage conversion of the error detection Serving reference conversions are executable.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöstThis object is achieved according to the invention by the features of the patent claim
Bei dem vorgeschlagenen Konverter wird der Integrator so beeinflußt, daß er ohne Rücksicht auf die Polarität und Größe der umzuwandelnden analogen Meßspannung für einen vorgegebenen Meßbereich nur in einer Richtung aufintegriert Dies wird dadurch erreicht, daß an dem als Summierpunkt dienenden Eingang des Integrators der analogen Meßspannung ein zweites Signal bekannter Größe zuaddiert wird, so daß die Summe aus beiden Signalen in jedem vorkommenden Fall nur eine Polarität aufweistIn the proposed converter, the integrator is influenced so that it regardless of the Polarity and size of the analog measuring voltage to be converted for a given measuring range only integrated in one direction Input of the integrator of the analog measurement voltage, a second signal of known size is added so that the sum of the two signals has only one polarity in each case
Aus den drei willkürlich aufeinanderfolgenden, je eine Auf- und eine Abintegration einschließenden Umwandlungen a, b, c kann dann mit Hilfe eines Mikroprozessors mindestens einer der unbekannten Fehler errechnet und mit dem Ergebnis der Umwandlung d verrechnet werden.From the three randomly consecutive one each Conversions a, b, c including up and down integration can then be performed with the aid of a microprocessor at least one of the unknown errors is calculated and offset against the result of the conversion d will.
Es ist auch möglich, mit Hilfe des Mikroprozessors die digitalen Ergebnisse der Umwandlungen a bis d in eine aus einem diesen Umwandlungen entsprechenden Gleichungssystem gewonnene Umwandlungsgleichung für die analoge Meßspannung einzusetzen und den Digitalwert der Meßspannung aus dieser Gleichung zu errechne:^It is also possible, with the help of the microprocessor, to do the digital results of the conversions a to d into one of these conversions corresponding System of equations obtained conversion equation to use for the analog measurement voltage and the Calculate the digital value of the measuring voltage from this equation: ^
Zweckmäßig werden die Aufintegrationszeiten der Umwandlungen a, b, c untereinander gleich gemachtThe integration times of the conversions a, b, c are expediently made equal to one another
Ein besonderer Vorteil wird erzielt, wenn auch die Aufintegrationszeit der Umwandlung d mit den übrigen Aufintegrationszeiten übereinstimmt.A particular advantage is achieved if the integration time of the conversion d with the others is also achieved Integration times coincides.
Dazu kann die Aufintegrationszeit der Umwandlung d ein ganzzahliges Vielfaches der Netzperiode sein.For this purpose, the integration time of the conversion d can be an integral multiple of the network period.
Die Erfindung wird anhand einer Figur, die ein prinzipielles Schaltbild des vorliegenden Analog-Digital-Konverters zeigt, näher erläutertThe invention is explained in more detail with reference to a figure which shows a basic circuit diagram of the present analog-digital converter
Der Aus- und der Eingang eines aus einem Verstärker bestehenden Integrators /sind über einen Kondensator Cmiteinander verbunden. Am Eingang des Integrators / liegen zwei über Widerstände R bzw. /7'parallelgeschaltete Ausgänge zweier Vorverstärker Vi bzw. Vi'. Eine Eingangsklemme f des Vorverstärkers V1' ist über drei parallelgeschaltete Schalter Si, Sb, S7 wahlweise mit Masse oder mit zwei Klemmen verbindbar, an denen eine negative Referenzspannung Un bzw. eine positive Referenzspannung «/»liegt.The output and input of an integrator / consisting of an amplifier are connected to one another via a capacitor C. At the input of the integrator / are two outputs of two preamplifiers Vi and Vi 'connected in parallel via resistors R and / 7'. An input terminal f of the preamplifier V 1 'can optionally be connected to ground or to two terminals to which a negative reference voltage Un or a positive reference voltage "/" is applied via three switches Si, Sb, S 7 connected in parallel.
Eine Eingangsklemme E des Vorverstärkers Vi ist über vier parallelliegende Schalter S\ bis 54 wahlweise mit Masse bzw. mit Klemmen verbindbar, an denen eine analoge Meßspannung us bzw. die negative Referenzspannung Un bzw. die positive Referenzspannung up liegt. Die Eingangsspannungen der Vorverstärker Vi und Vi' sind mit ebzw. e' bezeichnet Der Ausgang des Integrators / liegt am Eingang eines Komparators V7, dessen Ausgangsspannung u an einer Ausgangsklemme A abnehmbar istAn input terminal E of the preamplifier Vi can be connected via four parallel switches S \ to 54 either to ground or to terminals to which an analog measurement voltage us or the negative reference voltage Un or the positive reference voltage up is applied. The input voltages of the preamplifiers Vi and Vi 'are with ebzw. e ' denotes the output of the integrator / is at the input of a comparator V 7 , the output voltage u of which can be taken from an output terminal A.
An der Schaltung der F i g. 1 läßt sich für eine vollständige Auf- und Abintegration folgende Grundgleichung ableiten:At the circuit of the F i g. 1 the following basic equation can be derived for a complete integration up and down:
(e,(e,
b)t2 = qb) t 2 = q
(1)(1)
Hierbei ist q ein Maß für die Differenz der Spannungen u an der Ausgangsklemme A des Verstärkers Vi zum Integrationsbeginn und dem Zeitpunkt, an dem der Komparator anspricht DieHere q is a measure of the difference between the voltages u at the output terminal A of the amplifier Vi at the start of integration and the time at which the comparator responds Die
Spannung u zum Integrationsbeginn wird durch eine während einer Umwandlungspause angeschaltete, in der Figur nicht dargestellte Rückkopplungsschleife sowie durch Schließen der Schalter S\ und Ss reproduzierbar gemacht Die Ansprechspannung des !Comparators wird auch von dessen Offset und von seiner Verzögerung beeinflußt Die Verzögerung ist jedoch im Gegensatz zu Schaltungen, bei denen die Integrationsspannung sich aus beiden Richtungen der Schwellenspannung des !Comparators nähern kann, und wegen der immer gleichen Steilheit der Rückintegrationsspannung konstant. Deshalb kann auch die Lage des Kippunktes als konstant angenommen werden. Mit ei und ei' bzw. C2 und ei sind die Spannungen an den Eingängen £bzw. E' während der Aufintegration (Index 1) bzw. der Abintegration (Index 2) bezeichnet Die Aufintegration geschieht während der Zeit fi, die Abintegration während der Zeit fe- Der Faktor k ist ein Maß für die Unsymmetrie zwischen den Vorverstärkern Vi und Vi' und schließt sowohl die unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren dieser Verstärker als auch Größenunterschiede der Widerstände R und R' em. Mit b schließlich werden die mit den Verstärkungsfaktoren und den Unsymmetriefaktoren bewerteten Offsetspannungen der Verstärker Vn Vi' und V2 sowie des Integrators /ausgedrückt. Die Gleichung (1) enthält also drei Störgrößen oder Fehler k, t und q, zu deren Eliminierung daher drei Gleichungen, das bedeutet drei Korrekturumwandlungen, erforderlich sind. Prinzipiell können für die Korrekturumwandlungen erforderliche Aufintegrationszei»en fi, /3 und fs unterschiedlich und beliebig gewählt werden. Die Korrekiurumwandlungen gehen" von den internen Referenzspannungen aus. Deshalb brauchen die Aufintegrationszeiten nicht in einem bestimmten Verhältnis zu beispielsweise netzfrequenten Störspannungen zu stehen. Es ist deshalb zweckmäßig, die Aufintegrationszeiten /1, G und is gleich groß zu wählen. Dies kann durch Ableiten der Zeiten von einer internen Taktimpulsfolge geschehen. Die Aufintegration der analogen Meßspannuiig us sollte dagegen während einer mit der Netzperiode synchronen Zeit tj geschehen. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich das folgende Gleichungssystem:The voltage u at the start of integration is made reproducible by a feedback loop, not shown in the figure, which is switched on during a conversion pause, and by closing the switches S \ and Ss. The response voltage of the comparator is also influenced by its offset and delay to circuits in which the integration voltage can approach the threshold voltage of the comparator from both directions, and because the back integration voltage is always the same steepness, it is constant. Therefore, the position of the tipping point can also be assumed to be constant. With ei and ei 'or C2 and ei , the voltages at the inputs £ and. E ' during the up-integration (index 1) or the down-integration (index 2) denotes the up-integration takes place during the time fi, the down-integration during the time fe- The factor k is a measure of the asymmetry between the preamplifiers Vi and Vi' and includes both the different gain factors of these amplifiers and differences in size of the resistors R and R 'em. Finally, b is used to express the offset voltages of the amplifiers Vn Vi 'and V 2 and of the integrator / weighted with the gain factors and the asymmetry factors. Equation (1) therefore contains three disturbance variables or errors k, t and q, for the elimination of which three equations, that is to say three correction conversions, are required. In principle, the integration times fi, / 3 and fs required for the correction conversions can be chosen differently and arbitrarily. The correction conversions are based on the internal reference voltages. Therefore, the integration times do not need to have a certain ratio to, for example, line-frequency interference voltages. It is therefore advisable to choose the integration times / 1, G and is to be the same The integration of the analog measuring voltage us , on the other hand, should take place during a time tj synchronous with the mains period. Under these conditions the following system of equations results:
[Mp(I + Ar) + &] f, + [-HAr(I + k) + b\t2 = q (2)[Mp (I + Ar) + &] f, + [-HAr (I + k) + b \ t 2 = q (2)
[UpA: + &] f, + [-«„(1 + k) + b] U = q (3)[UpA: + &] f, + [- «" (1 + k) + b] U = q (3)
[uP + b] /, + l-uN(l + k) + b]t6 = q (4) [u P + b] /, + lu N (l + k) + b] t 6 = q (4)
[us + upk + b] f7 + [~uN(l + Ar) + b] i8 = q (5) [u s + upk + b] f 7 + [~ u N (l + Ar) + b] i 8 = q (5)
Durch Vergleich mit der Grundgleichung (1) ist leicht zu erkennen, wann und wo die positive Referenzspannung up oder die negative Referenzspannung — u/vbzw. eine Spannung von 0 Volt durch Schließen der entsprechenden Schalter Si bis Si angelegt wird. Die Auflösung des Gleichungssystems nach der analogen Meßspannung usergibt dann:By comparison with the basic equation (1) it is easy to see when and where the positive reference voltage up or the negative reference voltage - u / v or. a voltage of 0 volts is applied by closing the corresponding switches Si to Si . The resolution of the system of equations according to the analog measurement voltage then gives:
'7 h - u '7 h - u
h -H -
(i-O(-^ir+1)(iO (- ^ ir +1 )
(6)(6)
Es versteht sich, daß die von den Gleichungen (2), (3) und (4) repräsentierten Korrekturumwandlungen nicht bei jedem Umwandlungsvorgang einer analogen Meßspannung durchgeführt werden müssen, sondern nur dann, wenn zu vermuten ist, daß sich die Störgrößen wieder wesentlich geändert haben. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, einem die Korrekturrechnung durchführenden Mikroprozessor von Anfang an die Daten aus den Korrekturumwandlungen so zuzuführen, wie sie anfallen. Dann kann der Mikroprozessor schon während den Korrekturumwandlungen geeignete Zwischengrößen ausrechnen. Damit lassen sich die Gleichungen (5) bzw. (6) so vereinfachen, daß die Meßspannung mit einem minimalen Rechenaufwand erhalten werden kann.It should be understood that the correction conversions represented by equations (2), (3) and (4) are not must be carried out for each conversion process of an analog measurement voltage, but only when it can be assumed that the disturbance variables have changed significantly again. For this reason it is advisable to have a microprocessor performing the correction calculation from the beginning To feed in data from the correction conversions as they arise. Then the microprocessor can calculate suitable intermediate quantities during the correction conversions. This allows the equations Simplify (5) or (6) in such a way that the measurement voltage can be calculated with a minimal amount of computation can be obtained.
Die Gleichung (6) läßt sich sehr vereinfachen, wenn die Aufintegrationszeit ft für die Korrekturumwandlungen gleich der Aufintegrationszeit f? für die analoge Meßspannung gemacht wird. Dazu kann zunächrt mit der Umwandlung der analogen Meßspannung us nach der Gleichung (5) begonnen werden. Die dazu erforderliche Aufintegrationszeit I7 ist auf einfache Weise, z. B. durch Auszählen einer oder mehrerer Netzperioden, mit dem Netz synchronisierbar. Diese Zeit fr kann in einem Zähler gemessen, gespeichert und zur Erzeugung der Aufintegrationszeit f, für die Korrekturumwandlungen herangezogen werden. Die Gleichung (6) verkürzt sich dann aufEquation (6) can be simplified very much if the integration time f t for the correction conversions is equal to the integration time f? for the analog measurement voltage is made. For this purpose, the conversion of the analog measurement voltage us according to equation (5) can first be started. The integration time I 7 required for this is simple, e.g. B. by counting one or more network periods, can be synchronized with the network. This time fr can be measured in a counter, stored and used to generate the integration time f for the correction conversions. The equation (6) is then reduced to
us = Up u s = Up
(7)(7)
Abgesehen von den großen arithmetischen Vorteilen der Gleichung (7) gegenüber der Gleichung (6) und dem damit verbundenen Gewinn an Rechenzeit und Programmvereinfachung ergeben sich noch zwei weitere Vorteile. In der Gleichung (7) tritt dieApart from the great arithmetic advantages of equation (7) over equation (6) and the The resulting gain in computing time and program simplification result in two more Other advantages. In equation (7) occurs
so Abintegrationszeit ie nicht mehr auf. Das bedeutet, daß die der Gleichung (4) entsprechende Korrekturumwandlung überflüssig wird. Außerdem ist auch die negative Referenzspannung u/v aus der Gleichung (7) verschwunden, d. h., daß diese Referenzspannung nicht mehr hochkonstant sein muß. Auch ihre absolute Größe ist nicht mehr für die Genauigkeit einer Umwandlung ausschlaggebend. Sie muß nur während eines Meßzyklus konstant sein. Diese negative Referenzspannung läßt sich daher auch auf eine einfache Weise, z. B. mittels eines Operationsverstärkers, aus der positiven Referenzspannung ableiten.so integration time ie no longer on. It means that the correction conversion corresponding to equation (4) becomes unnecessary. Besides, that too negative reference voltage u / v from equation (7) disappeared, d. that is, this reference voltage is not must be more highly constant. Even their absolute size is no longer relevant for the accuracy of a conversion crucial. It only has to be constant during one measuring cycle. This negative reference voltage can therefore also in a simple way, for. B. by means of an operational amplifier, from the positive reference voltage derive.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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