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Analog-Digital-Umsetzer
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Umsetzer, der
einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einem Meßimpulszähler und einem Taktimpulszähler
enthält.
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Zur schnellen Analog-Digital-Umsetzung, wobei unter "schnellt' eine
Konvertierungszeit von zur 1 ms verstanden werden soll, werden häufig Umsetzer mit
sukzessiver Approximation eingesetzt. Bei Auflösungen >-12 bit, was 3 1/2 Dekaden
entspricht, sind diese bekannten Umsetzer sehr teuer. Sie benötigen auch einen Sample-Hold-Verstärker,
um Konvertierungsfehler bei Änderungen des Eingang signals während der Umsetzung
zu vermeiden. Daraus folgt, daß Veränderungen der Eingangsgröße, die während der
Umsetzung stattgefunden haben, im jeweiligen Ergebnis nicht berücksichtigt sind.
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Diesem Mangel unterliegen Analog-Digital-Umsetzer, die nach einem
integrierenden Verfahren arbeiten, nicht. Für eine erwünschte hohe Auflösung sind
jedoch die integrierenden Umsetzverfahren (Dual-Slope) zu langsam. Beim-Dual-Slope-Verfahren
kommt hinzu, daß der vorgegebenen Aufintegrationszeit noch eine Abintegrationszeit
folgt, welche die Umsetzzeit weiter verlängert.
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Eine verhältnismäßig schnelle Umsetzung bieten integrierende Analog-Digital-Umsetzer,
die einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit nachfolgendem Ergebnis zähler enthalten.
Für eine Integrationszeit um 1 ms und eine geforderte Auflösung von 4 Dekaden muß
der Spannungs-Frequenz-Umsetzer eine Endfrequenz von mindestens 10 NHz haben.
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Bausteine, die diesen Forderungen genügen, sind ebenfalls teuer.
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Spannungs-Frequenz-Umsetzer, die zur Analog-Digital-Umsetzung
verwendet
werden, sind im "ATM - Archiv für Technisches Messen" J 077-5 auf der Seite 225
erwähnt. In der Zeitschrift "tm - Technisches Messen", 49. Jahrgang, 1982, Heft
10, sind auf Seite 366 ebenfalls integrierende Analog-Digital-Umsetzer, die auf
der Grundlage eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers arbeiten, angeführt. Dabei wird
die Meßgröße in eine proportionale Frequenz einer Impulsfolge umgesetzt, der zeitliche
Mittelwert der Frequenz und damit der Meßgröße wird durch eine Zählung über eine
bestimmte Zeit (Integrationszeit) ermittelt.
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Im "ATM - Archiv für Technisches Messen" V 3613-5 werden auf Seiten
169/170 einige Frequenzmesser für Frequenzen im Tonfrequenzgebiet vorgestellt. Einige
leisten dabei Frequenzmessungen bis zu 100 kHz. Auf Seite 170 ist in der linken
Spalte ausgeführt, daß eine große Meßgenauigkeit bei tiefen Frequenzen eine lange
Meßdauer erfordert.
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Diese Meßdauer läßt sich dadurch verkleinern, daß entweder die zu
messende Frequenz vervielfacht oder aber anstelle der Frequenzmessung eine Periodendauermessung
tritt. Ebenfalls in der linken Spalte wird im letzten Satz darauf hingewiesen, daß
sich die Meßunsicherheit verringern läßt, wenn mehrere Perioden gemessen werden.
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Im Bild 1 auf Seite 170 ist eine Prinzipschaltung zur digitalen Frequenz-
und Periodendauermessung am Beispiel eines der vorgestellten Frequenzmesser gezeigt.
Bei der Periodendauermessung kommt es darauf an, die gewählte \nzahl der Perioden
möglichst genau mit einer schnellen Taktimpulsfolge auszuzählen. Dazu müssen Maßnahmen
getroffen werden, die Taktimpulszählung auf irgendeine Weise mit dem Anfang und
dem Ende der Periodenzählung zu synchronisieren. In dem erwähnten Bild 1 ist nur
zu erkennen, daß das Ende der Taktimpulszählung mit dem Ende der Periodenzählung
über ein von diesem Ende gesteuertes Zeittor bestimmt wird. Der Anfang der Zählung
ist völlig offengelassen. Man kann sich nun vorstellen, eine annähernde Synchronisation
der Anfänge beider Zählungen durch eine gleichzeitige Be-tätigung der mit f und
tx benannten
Schalter zu erreichen. Für eine höhere Präzision der
Messung reicht dieses jedoch nicht aus.
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Mit der bekannten Schaltung kann die Integrationszeit durch Wahl der
Anzahl der zu messenden Perioden bestimmt werden. Damit ist die Integrationszeit
jedoch auch immer von der Meßfrequenz abhängig.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einem eingangs näher bezeichneten
Analog-Digital-Umsetzer Maßnahmen zu treffen, um eine möglichst genaue Synchronisation
der Zeittaktzählung mit dem Anfang und dem Ende der Periodenzählung zu ermöglichen
und ferner um die Integrationszeit unabhängig von der Frequenz der Meßimpulsfolge
wählen zu können.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Periodendauermessung
innerhalb einer vorgebbaren Integrationszeit neben dem in an sich bekannter Weise
mit einem Tor ausgestatteten Taktimpulszähler auch dem Meßimpulszahler ein Tor vorgeschaltet
ist und beide Tore synchron von einem Flip-Flop gesteuert sind, dessen Vorbereitungseingang
an einem die Integrationszeit vorgebenden Signal und dessen dynamischer Eingang
am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers liegt, und daß ein Zwischenspeicher
für den jeweiligen Inhalt des Taktimpulszählers mit seinem Ubernahme-Steuereingang
am Ausgang des vor den Meßimpulszähler geschalteten Tores liegt und Bitausgänge
des Meßimpulszählers und des Zwischenspeichers mit einem dividierenden Rechenwerk
verbunden sind.
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Es wird also der Mittelwert der Periodendauer einer der Eingangsspannung
eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers frequenzproportionalen Impuls folge mittels eines
schnellen und genauen Taktes ausgemessen. Die Anzahl der Perioden, deren Dauer durch
einen Mittelwert angegeben wird, ist durch die vorgebbare Integrationszeit gegeben.
Mit längerer Integrationszeit nimmt die Genauigkeit der Mittelwertmessung zu.
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Damit auch bei kleinen Eingangsspannungen am Spannungs-Frequenz-Wandlerausgang
noch mehrere Flanken während der Integrationszeit auftreten, wird eine definierte
Offsetspannungsverschiebung, beispielsweise um 10 96 des Endwertes der Eingangsspannung,
angewendet, die am Ende der Berechnung wieder abgezogen wird.
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Das Ergebnis der Rechnung wird vorteilhafterweise im Rechenwerk eines
Mikroprozessors ermittelt.
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Die Erfindung wird anhand zweier Figuren erläutert.
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Figur 1 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild
dar.
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In Figur 2 sind in vier Zeitdiagrammen Funktionen verschiedener Einheiten
der Gesamtschaltung dargestellt.
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In Figur 1 ist der Eingang eines Spannungs-Frequenz-Urnsetzers 1 an
einen Summationspunkt 2 angeschlossen, an den einerseits die zu messende Spannung
Ub und an(1ererseits eine definierte Offsetspannung 0 gelegt ist. Die Offsetspannung
dient dazu, auch bei niederen Eingang spannungen UE eine genügend hohe Frequenz
der Ausgangsimpulsfolge des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1 zu gelçtehrleisten. Der
Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1, der eine Impulsfolge mit der Frequenz
f1 führt, ist an den dynamischen Eingang 3 eines Flip-Flops 4 gelegt. Hin Vorbereitungseingang
5 des Flip-Flops 4 liegt an einem eine beispielsweise zwischen 1 ms und 1 s wählbare
Integrationszeit abbildenden Signal. Das gleiche Signal liegt auch am Reseteingang
6 des Flip-Flops 4. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 4 ist mit Steuereingängen zweier
Tore 7 und 8 verbunden. Der zweite Eingang des Tores 7 liegt am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers
1. Der zweite Eingang des Tores 8 liegt am Ausgang eines Taktimpulsgebers 9, der
Taktimpulse der Frequenz f0 führt. Der Ausgang des Tores 7 ist mit dem Zähleingang
eines Keßimpulszählers 10 verbunden. Der Ausgang des Tores 8 liegt am
Zähleingang
eines Taktimpulszählers 11. Bitausgänge des Taktimpulszählers sind an entsprechende
Biteingänge eines Zwischenspeichers 12 angeschlossen, dessen Ubernahme-Steuereingang
ebenfalls am Ausgang des Tores 7, das Meßimpulse der Frequenz f1 führt, liegt. Bitausgänge
des Meßimpulszählers 10 und des Zwischenspeichers 12 liegen an Eingängen eines Rechenwerkes
13, das Bestar»t05Q beispielsweise eines Mikroprozessors ist. Ein Ausgang 14 des
Mikroprozessors gibt zum geeigneten Zeitpunkt ein Resetsignal für die Zähler 10
und 11 sowie den Zwischenspeicher 12 ab. Ein anderer Ausgang 15 führt ein die Integrationszeit
bestimmendes Signal, das an den Eingang 5 des Flip-Flops 4 gelegt ist. Ein weiterer
Ausgang 16 des Mikroprozessors ist mit einer Anzeigeeinheit 17 verbunden.
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Der Spannungs-Frequenz-Urnsetzer 1 liefert eine Impulsfolge mit seiner
Eingangsspannung proportionaler Frequenz, die über das Tor 7 in den Zähler 10 eingezählt
wird.
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Gleichzeitig wird eine Taktimpulsfolge aus dem-Taktimpulsgenerator
9 mit hoher Frequenz fO, die sich aus der geforderten Auflösung ergibt, über das
Tor 8 in den Zähler 11 eingezählt. Um auch bei kleinen Eingangsspannungen am Ausgang
des Spannungs- Frequenz-Umsetzers 1 während der Integrationszeit mehrere Flanken
der Meßimpulsfolge zu erhalten, wird dem Eingang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers
1 zusä-tzlich zu der zu messenden Spannung UE eine definierte Offsetspannung 0 zugeführt,
die vor der Anzeige in der Anzeigeeinheit 17 im Rechenwerk 13 wieder subtrahiert
wird. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, daß mit dem integrierenden Verfahren
auch kleine Spannungen verarbeitet werden können, die einen Wechselspannungsanteil
enthalten und zeitweilig auch negativ sein können, maximal bis zum Betrag der Offsetspannung.
Weiter hat die Schaltung die Eigenschaft, daß mit dem Ausgangssignal des Tores 7
jeweils mit einer definierten Flanke der Inhalt des Taktimpulszählers 11 in den
Zwischenspeicher 12 übernom-
men wird. Das die Tore 7 und 8 steuernde
Torsignal wird dem Q-Ausgang des Flip-Flops 4 entnommen, der synchron mit dem Ausgangs
signal des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1 gestartet wird. Die zeitliche Dauer des
Torsignals ist variabel, sein Ende wird vom Ende des die Integrationszeit vorgebenden
Signals am Vorbereitungseingang 5 des Flip-Flops 4 bestimmt. Die Stabilität bzw.
die Genauigkeit des Integrationszeitsignals geht nicht in das eergebnis ein, hierfür
ist allein das Verhältnis der während der Torzeit auflaufenden Inhalte der Zähler
10 und 11 maßgebend.
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In Figur 2 ist in vier Zeilen a, b, c, d in der Zeile a die Ausgangsimpulsfolge
mit der Frequenz f1 des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1 dargestellt. Zeile b zeigt
den zeitlichen Verlauf des- die Integrationszeit bestiiiimenden Signals, das an
den Vorbereitungseingang 5 des Flip-Flops 4 über den Ausgang 15 des Mikroprozessors
gelegt wird. In der Zeile c ist der zeitliche Verlauf der die Öffnungszeit der Tore
7 und 8 bestimmensien Spannung dargestellt, die dem Q-Ausgang des Flip-Flops 4 entnommen
ist. Sie beginnt mit der ersten Flanke eines Impulses der Impulsfolgefrequenz am
Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers und endet mit dem Ende des Torzeitsignals.
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In der Zeile d sind die Zeitpunkte dargestellt, zu denen die Übernahme
des jeweiligen, während einer Periode der Meßimpulsfolge aufgelaufenen Inhalts des
Taktimpulszärllers 11 durch die innerhalb einer Torzeit auftretenden Meßimpulsvorderflanken
über den Übernahme eingang des Zwischenspeichers 12 veranlaßt wird.
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Nach Ablauf der Torzeit steht im Zähler 10 die Anzahl der während
der Torzeit aufgetretenen Ausgangsimpulse des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1, im
Zwischenspeicher 12 die Anzahl der während der entsprechenden Periodendauern in
den Speicher 11 eingezählten Taktimpulse. Uber das Re-
chenwerk
13 kann nun die Ausgangsfrequenz fl des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1 bzw. die
hierzu proportionale Eingangsspannung UE unter Berücksichtigung der Offsetspannung
0 ermittelt werden. Dies geschieht nach der Gleichung: A . f UE = C KO wobei K1
= Steilheit des Spannungs-Frequenz-Umsetzers, fO = Frequenz der Taktimpulsfolge,
A = Inhalt des Zählers 10, C = Inhalt des Zwischenspeichers 12, 0 = Offsetspannung
am Analogeingang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1 bedeuten. Nach Übernahme der
Werte A und C in das Rechenwerk erfolgt ein Löschen der Zähler 10 und 11.
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Danach kann die Integrationszeit erneut freigegeben werden. Die Berechnung
erfolgt zeitgestaffelt während der Ermittlung des nächsten Wertepaares A und C,
so daß mit optimaler Meßfolge gearbeitet werden kann.
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Im folgenden ist ein Rechenbeispiel dargestellt, das die Ermittlung
einer Eingangs spannung UE während zweier verschiedener Integrationszeiten zeigt.
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Eingangsspannung UE : 7,6894 V Spannungs -Frequenz-Umsetzer K1 : 100
kHz / 10 V Offset O : 1V Meßtakt f0 : 10 MHz Integrationszeit Tu Tu : 1 ms bzw.
10 ms f1 = K1 (U1 + 0) = 100kHz / 10 V . (7,6894V + 1 V) f1 = 86,894 kHz; T1 = 11,50827
Meßzeit
Meßzeit 1 ms 10 ms Anzahl der Perioden = A : 86 868 Dauer der Perioden A = C : 9897,116
99891,82 (Auflösung 0,1 /us) Eingangsspannung A . FO UE = - O : 7,689502 V 7,689472
V C . K1 zur Auswertung : 7,589 V 7,6894 V Ergebnis 4-stellig 5-stellig 3 Patentansprüche
2 Figuren