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Analog/Digital-Wandler
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Analog/Digital-Wandler
nach der Gattung des Hauptanspruches.
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Es ist bekannt, bei Analog/Digital-Wandlern das sogenannte Doppelintegrationsverfahren
zu verwenden, das beispielsweise in Tietze, Schenck, Halbleiter Schaltungstechnik
2. Auflage, Seite 536 beschrieben ist.
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Dabei wird in einer ersten Phase die zu wandelnde Analoggröße, vorzugsweise
eine Meßspannung während einer vorgegebenen Zeit integriert und der Integrator wird
in einer zweiten Phase mit einer negativen Spannung beaufschlagt, so daß die Zeit,
die zum Erreichen des Ausgangswertes erforderlich ist, ein digitales Maß für die
zu wandelnde Eingangsgröße darstellt.
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Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist, daß-nur relativ kieine Meßbereiche
jeweils einer Meßgröße überstrichen werden können und daß eine verhältnismäßig umfangreiche
Schaltung erforderlich ist.
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Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Analog/Digital-Wandler
mit- den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil,
daß durch geeignete Einstellung nur eines Bauelementes ein sehr großer Meßbereich
überstrichen werden kann und daß die verwendete Schaltung mit außerordentlich wenig
Bauelementen auskommt.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen des im Hauptansprueb angegebenen Analog/Digital-Wandlers möglich.
So wird in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung eine Analog/ Digital-Wandlung
für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Eingangsgrößen (Temperatur, Widerstand,
Spannung) nacheinander möglich, ohne daß die verwendete Meßsehaltung verändert werden
muß.
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Schließlich sind Überwachungsmittel vorgesehen, die Störfälle, beispielsweise
Kurzschluß oder Leitungsbruch überwachen, so daß der erfindungsgemäße Wandler bevorzugt
dort eingesetzt werden kann, wo es auf besonders hohe Betriebssicherheit ankommt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten
Zeichnung.
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Zeichnung Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Schaltbild
eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Analog/Digital-Wandlers.
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Berschreibung des Ausführungsbeispiels Bei dem in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispiel sind mit 10, 11, 12, 12a eine erste, eine zweite und eine dritte
Meßstelle bezeichnet. Die erste Meßstelle 10 dient zur Messung einer Temperatur,
wozu ein temperaturempfindlicher Widerstand RTx mit einem parallel geschalteten
Linearisierungswiderstand RL vorgesehen sind. Die zweite Meßstelle 11 dient zur
Messung eines Widerstandes R . Die dritte Meßstelle 12, 12a dient zur x Messung
einer potentialfreien Spannung U bzw. einer gegen x Masse liegenden Spannung Ul.
Es versteht sich, daß auch noch weitere Meßstellen vorgesehen sein können, die zur
Messung anderer physikalischer Größen, beispielsweise eines Stromes, einer Kapazität,
einer Induktivität oder dgl. dienen.
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Die Meßwertverarbeitung und die Weiterleitung des Digitalsignals UD
wird von einem Mikrocomputer 13 übernommen. Dieser wird von einem Integrator 16
angesteuert, der aus einem mit einem Kondensator 15 gegengekoppelten Operationsverstärker
14 besteht. Die Verbindung von Integrator 16 zum Mikrocomputer 13 läuft über eine
Schwellwertstufe 17. Dabei ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auch möglich,
auf die Schwellwertstufe 17 zu verzichten, sofern die Schwellwertspannung des Einganges
des Mikrocomputers 13 zur Bildung der Schwellwertstufe herangezogen wird.
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Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 14 ist mit
einer Spannung U2 beschaltet, die an einem aus Widerständen 18, 19, 20 bestehenden
Spannungsteiler abgegriffen wird, der seinerseits mit einer Betriebsspannung UB
beschaltet ist. An einem weiteren Abgriff des Spannungsteilers 18, 19, 20 liegt
eine weitere Bezugs spannung U3 an, die über einen Widerstand 21 und eine Schalt
einheit 22 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14 zuführbar ist.
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Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 14 wird den Meßstellen
10, 11, 12, 12a zugeführt. Bei der ersten Meßstelle 10 liegt sie an einem Spannungsteiler,
der einmal aus der Parallelschaltung der Widerstände RTx und Rt sowie andererseits
aus einem Widerstand 24 besteht. In der zweiten Meßstelle 11 liegt sie an einem
Spannungsteiler, der aus dem Widerstand Rx sowie einem weiteren Widerstand 25 besteht.
In der dritten Meßstelle 12 wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
1h der Meßspannung U hinzuaddiert, wodurch Messunx gen potentialfreier Spannungen
möglich sind. Für den Fall gegen Masse bezogener Spannungen Ux t ist ein Spannungsteiler
30, 31 zwischen die Ausgangsspannung U1 und Masse geschaltet und die Meßspannung
Ux' wird dem Spannungsteilerabgriff über einen Widerstand 32 zugeführt.
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Die Abgriffe der Spannungsteiler der Meßstellen 10, 11, 12a bzw. die
Summenspannung der dritten Meßstelle 12 werden ebenfalls der Schalteinheit 22 zugeführt.
Diese ist über eine Adressleitung 22 mit dem Mikrocomputer 13 verbunden.
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Der Mikrocomputer 13 verfügt einmal über einen internen Zähler 13a,
dessen Funktion nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird sowie über ein Steuerwerk
13b,
das einmal mit dem digitalen Ausgangssignal UD beschaltet ist sowie den Zähler 13a,
Anzeigen 26, 27 sowie schließlich die Adressleitung 23 steuert.
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Die Wirkungsweise der in der Figur dargestellten Anordnung ist wie
folgt: Vom Mikrocomputer 13 wird die Schalteinheit 22 über die Adressleitung 23
derart gesteuert, daß die Schalter a, b, c, d, e der Schalteinheit 22, wie nachstehend
geschildert, nacheiander eingeschaltet werden. Zu Beginn einer Messung wird in einer
Vorbereitungsphase der zugehörige Kontakt der jeweiligen Meßstelle geschlossen.
Soll beispielsweise eine Temperatur gemessen werden, wird zunächst der Kontakt b
geschlossen, so daß die erste Meßstelle 10 auf den Integrator 16 einwirkt.
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Am Abgriff des Spannungsteilers der ersten Meßstelle 10 liegt eine
Spannung UA an, die aus der Ausgangsspannung U1 des Operationsverstärkers 14 über
die Widerstände RTX, RL abgeleitet wird. Diese Meßspannung UA entspricht damit einmal
der zu messenden Temperatur und zum anderen der Ausgangsspannung U1. Der Operationsverstärker
14, der an seinem nicht invertierenden Eingang mit der ersten Bezugsspannung U2
beschaltet ist, stellt sich nun so ein, daß sich eine Ausgangsspannung U1 ergibt,
die eine Spannung UA zur Folge hat, die gleich der ersten Bezugsspannung U2 ist.
Der Integrator 16, der in dieser Phase also als Komparator arbeitet, ist damit abgeglichen.
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In der darauffolgenden Meßphase wird nun der Kontakt b über die Adressleitung
23 geöffnet und der Kontakt a geschlossen. Wie aus der Beschaltung des Spannungsteilers
18, 19, 20 ersichtlich ist, ist die zweite Bezugsspannung U3, die dem invertierenden
Eingang des
Operationsverstärkers 14 zugeführt wird, negativer
als die erste Bezugsspannung U2. Demzufolge wird bei geschlossenem Kontakt a das
Ausgangssignal U1 des IBtegrators 16 ansteigen. Je nachdem, welche Ausgangsspannung
U1 am Ende der Vorbereitungsphase anlag, dauert es nun mehr oder weniger lange,
bis der Schwellwert der Schwellwertstufe 17 bzw. des Mikrocomputers 13 erreicht
ist. Diese Zeitspanne wird im Zähler 13a gezählt und der bei Erreichen des Schwellwertes
vorhandene Zählerstand wird als Digitalsignal UD ausgegeben. Ist der Widerstand
RTx als NTC-Widerstand ausgebildet, bei dem der Widerstand mit zunehmender Temperatur
abnimmt, ist der Zählerstand am Ende der Meßphase der Temperatur proportional.
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Bei einer Widerstands- oder Spannungsmessung ist der Zählerstand im
Ausführungsbeispiel hingegen der Meßgröße umgekehrt proportional. Die Zeitsteuerung
von Vorbereitungsphase und Meßphase wird dabei vom Steuerwerk 13b -übernommen. Dieses
übermittelt die entsprechenden Umschaltsignale über die Adressleitung 23 zur Schalteinheit
22 und setzt zu Beginn der Meßphase den Zähler i3a über den Eingang T zurück.
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Nach abgeschlossener Messung der Temperatur in der ersten Meßstelle
10 kann nun beispielsweise in der zweiten Meßstelle 11 der Widerstandswert gemessen
werden. Hierzu wird in einer Vorbereitungsphase der Kontakt c geschlossen, so daß
die Meßspannung UA' den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14 zugeführt
wid.
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3a die Meßspannung UA' ebenfalls von der Ausgangsspannung t1 des Operationsverstärkers
14 über den Spannungsheizer der zeiten Meßstelle 1 abgeleitet wird, geht die Messung,
wie oben für den Fall der ersten Meßstelle 1, geschildeit, vonstatten.
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Entsprechendes gilt für die Messung der Spannung U in x der dritten
Meßstelle 12, wobei die zugehörige Meßspannung U " durch Addition der Ausgangsspannung
U1 und
der Meßspannung U gebildet wird, ebenso läßt sich die x
weitere Meßstelle 12a über den Kontakt e anschließen, wodurch die Meßspannung UA'"
durch Addition eines Teiles von U1 und U ' entsteht. Dabei ermöglicht die Adressleix
tung 23 eine sequentielle Messung aller Meßstellen oder eine Meßreihenfolge beliebiger
Art. Weitere Meßstellen sind über weitere Kontakte zuschaltbar-.
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Durch entsprechende Anpassung der Widerstände 24, 25, 31 kann ein
sehr großer Meßbereich der zu messenden Eingangsgröße überstrichen werden, beispielsweise
ein Meßbereich von mehr als 1:1000. Wie ohne weiteres ersichtlich, kommt die erfindungsgemäße
Schaltung auch mit außerordentlich wenig Bauelementen aus.
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Tritt in den Meßstellen 10, 11, 12, 12a eine Unterbrechung bzw. ein
Kurzschluß auf, wird dies vom Mikrocomputer 13 erkannt. Bei einer Unterbrechung
in einer Meßstelle 10, 11, 12, 12a kann sich der Operationsverstärker in der Vorbereitungsphase
nicht abgleichen, so daß der Schwellwert der Schwellwertstufe 17 bzw. des Mikrocomputers
13 erreicht wird, bevor das Steuerwerk 13b von der Vorbereitungsphase auf die Meßphase
umschaltet. Empfängt das Steuerwerk 13b demnach während der Vorbereitungsphase ein
Ausgangssignal vom Zähler 13a, wird die Anzeige 26 angesteuert. Andererseits wird
bei einem Kurzschluß in einer der Meßstellen 10, 11. 12, 12a während der Meßphase
der Schwellwert der Schwellwertstufe 17 bzw.
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des Mikrocomputers 13 überhaupt nicht erreicht, so daß das Steuerwerk
13b überwacht, ob nach Beginn der Meßphase überhaupt ein Signal vom Zähler 13a eintrifft.
Ist dies innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalles nicht der Fall, wird die Anzeige
27 angesteuert.