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Verfahren und
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Vorrichtung zur Analog-Digital-Umsetzung eines elektrischen Messwert
es mit veränderbarem Umsetzungsverhältnis Bei der Erfindung wird ausgegangen von
einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Analog-Digital-Umsetzung eines elektrischen
Messwertes mit veränderbarem Umsetzungsverhältnis nach dem Oberbegriff der Ansprüche
1 und 5.
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Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik
von Analog-Digital-Umsetzern, nachstehend auch als A/D-Wandler bezeichnet, bezug,
wie er in dem Taschenbuch Elektrotechnik, Band 3, VEB-Verlag Technik Berlin, 1978,
S. 890 beschrieben ist. Bei dem bekannten Zweiflanken-A/D-Wandler wird der gesamte
Wandlungsvorgang in zwei Phasen durchgeführt. In einer ersten Phase wird über die
zu messende und umzusetzende Spannung U das Integral x Uc gebildet, wobei die Integrationszeit
zur Elimination der 50-Hz-Einflüsse, die der zu ermittelnden Spannung überlagert
sind, etwa 20 ms dauert. In diesem Intervall 4 tal wird ein Zähler vom voreingestellten
Wert Z. auf 0 heruntergezählt. In einem zweiten Intervall a t2 liegt anstelle der
zu ermittelnden Spannung U eine Referenzspannung URef x mit entgegengesetztem Vorzeichen
an dem Integrator an,
so dass der im ersten Intervall erreichte
Wert U auf 0 c herunterintegriert wird. Dieser Vorgang dauert die Zeit b t2, entsprechend
einem Zählerstand Zx mit ß t2 = Z /f0 und f0 = Taktfrequenz. Daraus ergibt sich
Ux = Zx x URer/Zi .
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Derartige A/D-Wandler werden vielfach bei der Prozessautomatisierung
eingesetzt, wo viele analoge.Signale in digitale umgesetzt werden müssen, damit
sie von einem Rechner verarbeitet werden können. Die analogen Messwerte müssen dabei
üblicherweise innerhalb eines vorgegebenen Messbereiches liegen, z.B. die Spannung
bei Spannungs-Frequenzwandlern innerhalb von 0 bis 3 V, abhängig von den Parametern
der Schaltung dieser Wandler. Vielfach müssen die auszuwertenden analogen Messgrössen
mittels Vorverstärkern erst verstärkt werden, bevor sie in eine digitale Grösse
umgewandelt werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei Analog-Digital-Umsetzern der eingangs
genannten Art das Umsetzungsverhältnis auf einfache und billige Art zu verändern.
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Die Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
gemäss dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dassdie Aenderung des Umsetzungsverhältnisses
technisch einfach und mit herkömmlichen Bauelementen zu realisieren ist. Da das
Umsetzungsverhältnis proportional zur Referenzfrequenz ist, braucht lediglich die
Referenzfrequenz geändert zu werden.
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Quasikontinuierlich kann dies z.B. mittels eines spannungs-
gesteuerten
Oszillators erfolgen, oder, gemäss einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung,
stufenweise mittels eines Frequenzteilers oder Frequenzvervielfachers. Die Anpassung
kann jederzeit ohne geschultes Personal und ohne Messinstrumente vorgenommen werden.
Es genügt das Drehen eines kalibrierten Knopfes bzw. das Umschalten eines Schalters
oder das Umstecken einer Steckbrücke. Es können teure Vorverstärker mit verschiedenen
Verstärkungsfaktoren für die analoge Messgrösse eingespart werden. Soll der Wandler
an Orten mit unterschiedlicher Netzfrequenz bzw. mit unterschiedlicher Brumm- oder
Störspannung eingesetzt werden, so kann gemäss einer besonderen Ausgestaltung der
Erfindung die Zeitbasis für die Messwertermittlung bzw. Umwandlung gleichzeitig
mit der Referenzfrequenz geändert werden, ebenfalls nur durch die einfachen Massnahmen,
wie oben beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild des Digitalteils eines A/D-Wandlers
und Fig. 2 Kennlinien eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers.
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Gemäss Fig. 1 erzeugt ein Quarzoszillator 1 eine fest vorgebbare Taktfrequenz
f0 von z.B. 1,2 MHz. Diese wird einer Steuerung 2, einem Frequenzteiler 6 mit einem
Untersetzungsverhältnis von 1:5, einem Frequenzteiler 7 mit einem Untersetzungsverhältnis
von 1:6, einem Frequenzteiler 8 mit einem fest vorgebbaren Untersetzungsverhältnis
von z.B.
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1:4 zugeführt. Der Frequenzteiler 8 liefert eine Referenzfrequenz
t an den A/D-Wandler 11, der speziell ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer ist, an dem
eingangsseitig als analoge Messgrösse eine umzusetzende Spannung U und ausgangsseitig
als digitale Messgrösse eine dieser Spannung zugeordnete, Messfrequenz fU an-liegt.
Diese Messfrequenz ist über eine Signalleitung 19 einem NAND-Glied 14 zugeführt.
Ein weiterer Eingang dieses NAND-Gliedes ist über eine Signalleitung 12 und über
einen Zeitbasiszähler 10 mit einem Schalter 9 verbunden. Dieser verbindet den Eingang
dieses Zeitbasiszählers in einer Position I mit dem Ausgang des Frequenzteilers
6 und in einer Position II mit dem Ausgang des Frequenzteilers 7. Der Zeitbasiszähler
10 liefert ausgangsseitig, wenn der Schalter 9 in Schaltposition II ist, über die
Signalleitung 12 Periodendauerimpulse einer Impulsbreite bzw. -dauer von 20 ms,
zur Kompensation einer dem Analogsignal U überlagerten Brumm- oder Stör-Wechselspannung
von 50 Hz. Steht der Schalter 9 in Schaltposition I, so werden Recheckimpulse mit
einer Impulsdauer von 16,6 ms zur Kompensation einer überlagerten Wechselspannung
von 60 Hz, die von einem Stromversorgungsnetz entsprechender Frequenz herrühren
kann, an das NAND-Glied 14 abgegeben.
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Der Zeitbasiszähler 10 kann über die Signalleitung 5 durch periodische
Löschimpulse von der Steuerung 2 auf 0 gesetzt werden. Diese Löschimpulse bestimmen
die Zykluszeit für die Abgabe der Periodendauerimpulse.
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Ueber eine gestrichelt gezeichnete Umleitung 18 kann der Eingang des
Zeitbasiszählers 10 mit dem Frequenzteiler 8 verbunden werden, wobei gleichzeitig
die Direktverbindung dieses Frequenzteilers mit dem Oszillator 1 getrennt wird.
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Damit wird erreicht, dass die Referenzfrequenz fR entsprechend dem
Teilerverhältnis der Frequenzteiler 6 bzw.
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7 verändert wird.
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Der Ausgang des NAND-Gliedes 14 ist mit dem Zähleingang eines Messwertzählers
15 verbunden, dessen Rückstelleingang über die Signalleitung 4 mit der Steuerung
2 in Verbindung steht. Durch periodische Löschimpulse von der Steuerung 2 kann der
Messwertzähler 15-vor jeder Messung auf 0 gesetzt werden. Am Ende der Messung enthält
dieser Zähler den gesuchten Messwert. Der Ausgang des Messwertzählers 15 ist mit
einem Messwert speicher verbunden.
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Mittels eines von der Steuerung 2 über die Signalleitung 3 auf den
Messwert speicher 16 übertragbaren Leseimpulses kann bewirkt werden3 dass der Zählinhalt
des Messwertzählers im Messwertspeicher gespeichert wird. Dort steht der digitale
Messwert einem angeschlossenen Rechner oder Registrier- oder Anzeigegerät 17 zur
Auswertung zur Verfügung.
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Nachstehend soll die Wirkungsweise des A/D-Wandlers erläutert werden.
Trotz vieler Vorsichtsmassnahmen, wie z.B.
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Verwendung von verdrillten und abgeschirmten Leitungen für die Uebertragung
des analogen Messsignalsjz.B. einer Spannung U, lassen sich überlagerte Wechselkomponenten
bzw.
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Wechselspannungen von 50 Hz oder 60 Hz, je nach der Frequenz des Stromversorgungsnetzes,
nicht ganz eliminieren.
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Würde die Spannungsfrequenzwandlung nur während des positiv gehenden
Abschnittes der Ueberlagerung erfolgen, so würde das digitale Ausgangssignal einen
zu grossen Wert entsprechend einer zu grossen Spannung ergeben; würde sie nur während
des negativgehenden Abschnittes der Ueberlagerung erfolgen, so würde der Messwert
zu niedrig ausfallen. Der Messspannung können Brummspannungen bis zu
60
% des Messbereiches überlagert sein. Um genaue Messergebnisse zu erzielen, wird
daher die Umsetzung bzw. die A/B-Wandlung über die Periodendauer der überlagerten
Wechselspannung von z.B. 50 Hz bzw. 60 Hz, d. h. über 20 ms bzw. 16,6 ms erstreckt.
Dabei gleichen sich die Abweichungen nach oben und unten aus. Vom Zeitbasiszähler
10 liegen an dem einen Eingang des NAND-Gliedes 14 Periodendauerimpulse von 20 ms
bzw. 16,6 ms an. Während dieser Dernedendauer von z.B. 20 ms, entsprechend einer
überlagerten Stör-Wechselspannung von 50 Hz, erzeugen positivgehende Impulse vom
Ausgang des A/D-Wandlers 11, die an dem anderen Eingang des NAND-Gliedes 14 eintreffen,
negativgehende Impulse an dessen Ausgang, die im Messwertzähler 15 gezählt werden
und am Ende der Zählung, d.h. am Ende der Periodendauer den digitalen Messwert darstellen.
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Würde nun eine Umstellung der Zeitbasis auf 16,6 ms, entsprechend
einer überlagerten Stör-Wechselspannung von 60 Hz vorgenommen, ohne dass am A/D-Wandler
11 etwas geändert würde, so würden während dieser verkürzten Periodendauer bei gleicher
umzusetzender Messspannung U im Messwert zähler 15 weniger Impulse eintreffen und
zu einem falschen digitalen Messwert führen. Um im Messwertzähler nach einer Umstellung
auf 60 Hz dieselbe Anzahl von Impulsen wie bei der Einstellung auf 50 Hz zu erhalten,
muss die Messfrequenz fU bzw. die Anzahl der Impulse am Ausgang des A/D-Wandlers
11 in dem Verhältnis erhöht werden, wie die Periodendauer der Ueberlagerungsspannung
verkürzt ist, d.h. etwa um den Faktor 1,2. Diese Erhöhung der N.essfrequenz fU wird
durch eine entsprechende Erhöhung der dem A/D-Wandler 11 zugeführten Referenzfrequenz
fR erreicht.
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Mit dieser Erhöhung der Referenzfrequenz fR erhöht sich die Steilheit
der Kennlinie des Spannungs-Frequenz-Umsetzers, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Auf
der Abszisse ist dort die
in einen Frequenzwert umzusetzende Spannung
in Volt und auf der Ordinate die Frequenz in Hertz eingetragen. Die Kennlinien A
und B sind für einen bipolaren A/D-Wandler eingetragen, für einen unipolaren würden
sie sich auf die Abschnitte rechts der Ordinate beschränken. Die Kennlinie A bezieht
sich auf eine Ueberlagerungsspannung von 50 Hz, sie schneidet die Ordinate im Punkt
f01. Die Steilheit dieser Kennlinie ist n fl/ t U. f02 bezeichnet den Ordinatenschnittpunkt
der 60-Hz-Kennlinie,- deren Steilheit L\ f2/ aU grösser als die der Kennlinie A
ist.
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Die Erfindung ist auf die in Fig. 1 dargestellte Anordnung selbstverständlich
nicht beschränkt. So könnte z.B. statt des NAND-Gliedes -14 ein UND-Glied verwendet
werden, wobei der Messwertzähler 15 positivgehende Impulse zählt. Zur Mittelwertbildung
könnten statt Periodendauerimpulsen auch Impulse verwendet werden, deren Dauer ein
ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der überlagerten Wechselkomponente ist.
Anstelle der Spannung als umzusetzende analoge Messgrösse könnte auch eine andere
elektrische physikaiische Messgrösse, z.B. Strom oder Ladung,verwendet werden. Anstelle
von Frequenzteilern könnten auch Frequenzvervielfacher verwendet werden3 wobei sich
die Anzahl dieser Frequenzumsetzer nach der Anzahl der gewünschten Verstärkungsstufen
bzw. Umsetzungsverhältnisse des A/D-Wandlers bzw.
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nach den unterschiedlichen Frequenzen zu kompensierender Wechselkomponenten
richtet.
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Insbesondere kann der Frequenzteiler 8 als quasikontinuierlicher,
-spannungsgesteuerter Frequenzumsetzer ausgebildet sein und eine quasikontinuierliche
Aenderung der Referenzfrequenz fR ermöglichen.
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Z u s a m m e n f a s s u n g Verfahren und Vorrichtung zur Analog-Digital-Umsetzung
eines elektrischen Messwertes mit veränderbarem Umsetzungsverhältnis. Auf praktisch
allen Gebieten der Informationsverarbeitung werden Analog-Digital-Wandler (11) verwendet.
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Häufig müssen die in Frequenzen (fU) umzusetzenden analogen elektrischen
Messgrössen (U) vor der Umsetzung mittels Vorverstärkern verstärkt werden. Ein gleichwertiges
Ergebnis kann durch eine Aenderung des Umsetzungsverhältnisses des Wandlers (11)
erreicht werden. Zu diesem Zweck wird die von einem Oszillator (1) über Frequenzteiler
(6, 7, 8) abgeleitete Referenzfrequenz (fR) ) in Abhängigkeit von dem gewünschten
Umsetzungsverhältnis geändert. Störende, den Analogsignalen (U) überlagerte Wechselkomponenten
werden kompensiert, in dem die Ausgangssignale (13) des Wandlers (11) über die Periodendauer,
z.B. 20 ms entsprechend 50 Hz, der Wechselkomponente gemittelt wird. Ein NAND-Glied
(14) lässt nur während dieser Periodendauer diese Ausgangssignale (13) unreinen
Messwertzähler (15) einlaufen. Eine Umstellung auf eine andere Zeitbasis, z.B.
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16,6 ms entsprechend 60 Hz, wird durch einen Schalter (9) oder eine
umzusteckende Brücke ermöglicht.
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(Fig. 1)
B e z e i c h n u n g s 1 i s t e 1 Quarzoszillator
2 Steuerung 3,4,5 Signalleitungen 6738 Frequenzteiler 9 Schalter 10 Zeitbasiszähler
11 Spannungs-Frequenzumsetzer bzw.
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Analog-Digital-Wandler 12,13 Signalleitungen 14 NAND-Glied 15 Messwertzähler
16 Messwertspeicher 17 Registriergerät bzw. Anzeigegerät bzw. Rechner 18 Umleitung
I,II Schalterstellungen A Kennlinie für 50-Hz-Umsetzer B Kennlinie für 60-Hz-Umsetzer
f Frequenz f0 Taktfrequenz fR Referenzfrequenz fU Umgesetzte Frequenz bzw. Messfrequenz
U Messspannung
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