DE3739208A1

DE3739208A1 - Analog-digital-umsetzer

Info

Publication number: DE3739208A1
Application number: DE19873739208
Authority: DE
Inventors: Guenther Pexa
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-11-19
Filing date: 1987-11-19
Publication date: 1989-06-01
Also published as: DE3739208C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Umsetzung von analogen Signalen in digitale Signale sind zahlreiche Verfahren bekannt. Eines dieser Verfahren be steht darin, den Speicherkondensator einer Abtast- und Halte schaltung mit einem konstanten Strom zu entladen und die Zeit dauer zu messen, die benötigt wird, um ein vorgegebenes Poten tial zu erreichen. Diese Zeitdauer ist ein direktes Maß für den Abtastwert der Analogspannung. Dies Verfahren führt zu genaueren Ergebnissen, wenn die Entladung des Speicherkondensators zu nächst mit einem größeren Konstantstrom bis zu einem ersten Schwellwert und anschließend mit einem konstanten Feinstrom bis zu einem zweiten Schwellwert erfolgt. Bei dieser Schaltungsan ordnung müssen die Schwellen eines Komparators umgeschaltet wer den. Dies bedingt nicht nur einen zusätzlichen elektronischen Schalter, sondern auch einen höheren Aufwand an präzisen Bauele menten und bringt außerdem Probleme bei einer Temperaturkompen sation mit sich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen nach dem Zählprinzip arbei tenden Analog-Digital-Umsetzer mit einer möglichst geringen An zahl von Bauelementen anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteran sprüchen angegeben.

Vorteilhaft bei dieser Schaltungsanordnung ist, daß die unter schiedlichen Schwellen des Komparators allein dadurch erzeugt werden, daß der Konstantstrom über einen Vorwiderstand fließt, während der Konstantfeinstrom den Speicherkondensator direkt entlädt.

Vorteilhaft ist auch, daß als Konstantstromquellen Differenzver stärker verwendet werden, da diese temperaturstabil dimensio niert werden können und gleichzeitig die Funktion eines Schal ters übernehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen bekannten Analog-Digital-Umsetzer,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzer und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die Konstantstromquellen.

Ein bekannter Analog-Digital-Umsetzer nach Fig. 1 enthält eine Abtast- und Halteschaltung, die aus einem ersten Schalter S 1 und einem Speicherkondensator C 1 besteht. Der Ausgang 2 der Abtast- und Halteschaltung ist mit einem ersten Eingang 3 eines Kompara tors CO verbunden. Eine Konstantstromquelle KG ist an ein Ver sorgungspotential -U angeschaltet und kann über einen zweiten Schalter S 2 mit dem Speicherkondensator C 1 verbunden werden. Ei ne Konstantfeinstromquelle KF ist in derselben Weise über einen dritten Schalter S 3 anschaltbar. An einem zweiten Eingang 4 des Komparators CO ist ein Spannungsteiler R 1, R 2 angeschaltet, der zwischen Masse und der Versorgungsspannung -U liegt. Über einen vierten Schalter S 4 kann ein dritter Widerstand R 3 zum zweiten Widerstand R 2 parallelgeschaltet werden. Über eine an den Aus gang 5 des Komparators CO angeschaltete Zähleinrichtung ZE wer den die Schalter S 2 bis S 4 betätigt. Als Schalter können bipola re Transistoren oder Feldeffekttransistoren verwendet werden.

Dem Eingang 1 der Abtast- und Halteschaltung wird ein Analogsi gnal AS zugeführt. Durch kurzzeitiges Schließen des ersten Schalters S 1 wird ein Abtastwert in dem Speicherkondensator C 1 gespeichert. Anschließend wird über den zweiten Schalter S 2 der Speicherkondensator mit einem Konstantstrom I _G über die Kon stantstromquelle KG entladen, bis der Komparatorausgang 5 ein Steuersignal SS abgibt, das einen Zähler der Zähleinrichtung ZE stoppt. Die Zeitdauer für das Entladen des Speicherkondensators wird im allgemeinen gemessen, indem einem Digitalzähler ein Ar beitstakt mit konstanter Frequenz zugeführt wird. Das Steuer signal SS des Komparators bewirkt außerdem ein Öffnen des zwei ten Schalters S 2 und ein Schließen des vierten Schalters S 4 und des dritten Schalters S 3. Am zweiten Eingang 4 des Komparators CO liegt dann eine (hier negativere) Vergleichsspannung U _V an und der Speicherkondensator C 1 wird mit einem geringen Konstant feinstrom I _F entladen, bis der Komparator CO an seinem Ausgang 5 erneut ein Steuersignal SS abgibt, das einen zweiten Zählvorgang zur Messung der Entladedauer über die Konstantfeinstromquelle KF - beispielsweise mit einem zweiten Zähler ausgeführt - stoppt. An den Ausgängen 6 der Zähleinrichtung wird ein binär codiertes Digitalsignal DS abgegeben, das aus beiden Zählvorgängen ermit telt wurde. Die notwendige Steuerlogik ist beispielsweise der Zähleinrichtung zugeordnet.

Für die Erzeugung der Vergleichsspannungen U _V sind natürlich die unterschiedlichsten Varianten denkbar. Ebenso können natür lich auch die Konstantstromquellen umgeschaltet werden oder die Schalter S 2 und S 3 durch einen Umschalter ersetzt werden.

Der in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Analog-Digital-Um setzer unterscheidet sich durch das Einschalten eines Vorwider standes RV zwischen dem Ausgang 2 der Abtast- und Halteschaltung und dem ersten Eingang 3 des Komparators 3. An diesem Kompara toreingang ist die Konstantstromquelle KG angeschlossen, während die Konstantfeinstromquelle KF direkt mit dem Speicherkondensa tor C 1 (Ausgang 2 der Abtast- und Halteschaltung) verbunden wer den kann. Der vierte Umschalter S 4 und der dritte Widerstand werden nicht mehr benötigt; die Vergleichsspannung U _V wird durch den Spannungsteiler R 1, R 2 erzeugt.

Das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umset zers entspricht der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise. Im Speicherkondensator C 1 werden die Abtastwerte gespeichert. Der Speicherkondensator wird zunächst durch den von der Konstant stromquelle KG gelieferten Grobstrom I _G über den Vorwiderstand R 1 entladen. Hierdurch entsteht am Vorwiderstand RV ein Span nungsabfall, der das Potential am ersten Eingang 3 des Kompara tors negativer wird als am Speicherkondensator C 1. Bei Gleich heit mit der Vergleichsspannung U _V wird ein Steuersignal SS am Ausgang 5 des Komparators erzeugt, das einen ersten Zählvorgang beendet, die Konstantstromquelle KG abschaltet und die Fein stromquelle KF über den dritten Schalter S 3 zuschaltet. Da jetzt kein Spannungsabfall am Vorwiderstand RV mehr erzeugt wird, wird das Potential am ersten Eingang 3 des Komparators CO wieder po sitiver und die Entladung des Speicherkondensators wird mit dem geringeren Feinstrom I _F fortgesetzt, bis sich wieder Gleichheit zwischen den Eingangsspannungen an den Komparatoreingängen ein stellt, ein zweites Steuersignal SS am Ausgang des Komparators einen zweiten Zählvorgang zur Messung der Entladedauer stoppt und damit die Analog-Digital-Umsetzung beendet wird.

In Fig. 3 ist ein Prinzipschaltbild für die Konstantstromquellen dargestellt. Jede Konstantstromquelle besteht aus einem Diffe renzverstärker DV 1 bzw. DV 2. Jeweils ein Eingang 11 (Basisan schluß) eines Differenzverstärkers ist mit dem des anderen zu sammengeschaltet und liegt an einem konstanten Potential U _K an. Die anderen Verstärkereingänge 7 bzw. 8 sind herausgeführt und werden von den entsprechenden Ausgängen der Zähleinrichtung an gesteuert. Durch den gemeinsamen Emitterwiderstand RK 1 der Tran sistoren des ersten Differenzverstärkers DV 1 und die konstante Spannung U _K ist der Konstantstrom I _G am Ausgang 9 festgelegt. Der gemeinsame Emitterwiderstand RK 2 des zweiten Differenzver stärkers DV 2 ist beispielsweise um den Faktor 128 größer als der Emitterwiderstand RK 1. Hierdurch ergibt sich ein entsprechend geringerer Konstantfeinstrom I _F am Ausgang 10. Die Bezeichnungen der Schaltungspunkte entsprechen denen in der Fig. 2. Natürlich sind auch hier zahlreiche Varianten für die Schaltungsanordnung und eine Temperaturkompensation möglich.

Claims

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einer aus einem ersten Schalter (S 1) und einem Speicherkondensator (C 1) bestehenden Abtast- und Halteschaltung (SH), deren Ausgang (2) auf einen ersten Eingang (1) eines Komparators (CO) geführt ist, an dessen zweitem Ein gang eine Vergleichsspannung (U _V) liegt, mit einer Konstant stromquelle (KG) und einer Konstantfeinstromquelle (KF) zum Ent laden des Speicherkondensators (C 1) und mit einer Zähleinrich tung (ZE), die jeweils eine der Konstantstromquellen aktiviert, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgang (2) der Abtast- und Halteschaltung über einen Vorwiderstand an den ersten Eingang (3) des Komparators (CO) an geschaltet ist,
daß die Konstantstromquelle (KG) an den ersten Eingang (3) des Komparators (CO) anschaltbar ist,
daß die Konstantfeinstromquelle an den Ausgang (2) der Abtast- und Halteschaltung (SH) anschaltbar ist und
daß der zweite Eingang (4) des Komparators (CO) an eine kon stante Vergleichsspannung (U _V) angeschaltet ist.

2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Konstantstromquelle (KG) und als Konstantfeinstromquelle (KF) jeweils ein Differenzverstärker (DV 1, DV 2) vorgesehen ist.