DE3328865A1 - Analog-digital-umsetzer - Google Patents

Analog-digital-umsetzer

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/60Analogue/digital converters with intermediate conversion to frequency of pulses

Description

  • Analog-Digital-Umsetzer
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Umsetzer, der einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einem Meßimpulszähler und einem Taktimpulszähler enthält.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bausteine, die diesen Forderungen genügen, sind ebenfalls teuer.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Ergebnis der Rechnung wird vorteilhafterweise im Rechenwerk eines Mikroprozessors ermittelt.
  • Die Erfindung wird anhand zweier Figuren erläutert.
  • Figur 1 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild dar.
  • In Figur 2 sind in vier Zeitdiagrammen Funktionen verschiedener Einheiten der Gesamtschaltung dargestellt.
  • 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.
  • Der Spannungs-Frequenz-Urnsetzer 1 liefert eine Impulsfolge mit seiner Eingangsspannung proportionaler Frequenz, die über das Tor 7 in den Zähler 10 eingezählt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden ist ein Rechenbeispiel dargestellt, das die Ermittlung einer Eingangs spannung UE während zweier verschiedener Integrationszeiten zeigt.
  • 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

Claims (3)

  1. Patentansprüche Analog-Digital-Umsetzer, der einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einem Meßimpulszähler und einem Taktimpulszähler enthält, d a A u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß zur Periodendauermessung innerhalb einer vorgebbaren Integrationszeit neben dem in an sich bekannter Weise mit einem Tor (8) ausgestatteten Taktimpulszähler (11) auch dem Meßimpulszähler (10) ein Tor (7) vorgeschaltet ist und beide Tore (7, 8) synchron von einem Flip-Flop (4) gesteuert sind, dessen Vorbereitungseingang (5) an einem die Integrationszeit vorgebenden Signal und dessen dynamischer Eingang (3) am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (1) liegt, und daß ein Zwischenspeicher (12) für den jeweiligen Inhalt des Taktimpulszählers (11) mit seinem Übernahme-Steuereingang am Ausgang des vor den Meßimpulszähler (10) geschalteten Tores (7) liegt und iL-ausgänge des Meßimpulszahlers (io) und des Zwiscb.enspeichers (12) mit einem dividierenden Rechenwerk (13) verbunden sind.
  2. 2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an den Eingang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (1) neben der analogen Meßspannung (UE) eine definierte Offsetspannung (0) gelegt ist.
  3. 3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ergebnis der Analog-Digital-Umsetzung im Rechenwerk (13) eines Mikroprozessors ermittelt wird.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3906754A1 (de) * 1989-03-03 1990-09-13 Messerschmitt Boelkow Blohm Integrationsanordnung

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GB1598783A (en) * 1977-03-12 1981-09-23 Tokyo Shibaura Electric Co Analogue-digital converter and conversion method

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