DE3922229C2 - Verfahren und Schaltung zum Messen einer Spannung U¶M¶ - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Schaltung zum Messen einer Spannung U_M mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3 angegebenen Merkmalen. Ein solches Verfahren ist bekannt aus Kreutzer, M: "Meßverstärker mit schneller, hochauf­ lösender Digitalisierung" 1. Teil in: Elektronik 14/10.7.87, S. 77-80.

Bei diesem bekannten Verfahren wird die veränderbare Referenz­ spannung U_C in Form einer impulsbreitenmodulierten Rechteck­ spannung analog durch Zuschalten einer konstanten Referenz­ spannung oder Abtrennen der Referenzspannung mit Hilfe eines Schalters erzeugt. Diese impulsbreitenmodulierte Rechteckspan­ nung wird mit der zu messenden Spannung einem Integrator zugeführt, der die Spannungen vergleicht und über eine an­ geschlossene analoge Steuerung die Referenzspannung über den Schalter länger angelegt hält oder abtrennt, bis über eine Periode die gleiche Spannung im Mittel anliegt. Zur endgültigen Auswertung der gemessenen Spannung muß über eine Zeitmeßeinheit die Impulsbreite der Rechteckspannung gemessen werden und aus dem Verhältnis der Impulsbreite zur Periodendauer T bestimmt sich dann die gemessene Spannung.

Nachteilig bei einem Vorgehen nach dem oben erwähnten Ver­ fahren ist der Hardware-Aufwand für die benötigte Analog­ schaltung.

Darüber hinaus ist es bekannt, daß man zur Messung von analogen elektrischen Spannungen und Umwandlung in eine digitale Größe Analog-Digital-Wandler ver­ wenden kann. Es sind bereits Mikroprozessoren mit auf dem Chip integrierten Analog-Digital-Wandler von 8 bis 10 Bit bekannt. Mit diesen Mikroprozessoren ist die Verarbeitung von analogen Signalen in digitalen Schal­ tungen bei sehr kompaktem Aufbau möglich.

Nachteilig bei diesen Mikroprozessoren ist, daß sie für einige technisch relevante Anwendungen aus wirt­ schaftlichen Gründen nicht einsetzbar sind.

Es ist auch bekannt, daß zur Erzeugung einer analogen Referenzspannung Digital-Analog-Wandler verwendet wer­ den. Der Einsatzbereich der Digital-Analog-Wandler ist jedoch wie bereits erwähnt aus Kostengründen beschränkt.

Desweiteren ist bekannt, daß zur Erzeugung einer analogen Referenzspannung ein Impulsbreitenmodulator und zur Span­ nungsmessung ein Komparator verwendet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen einer Spannung U_M zu schaffen, welches wirtschaftlicher durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren bzw. eine Schaltung zum Messen einer Spannung U_M mit den im Anspruch 1 bzw. 3 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zum Messen einer Spannung U_M wird eine Referenzspannung U_C durch Tiefpaßfilterung einer impulsbreitenmodulierten Rechteckspannung mit konstanter Periode T und konstanter Amplitude A erzeugt, die mit Hilfe eines Komparators mit der Spannung U_M verglichen wird. Das digitale Ausgangssignal des Komparators zeigt, ob U_M < U_C oder U_M < U_C ist. Beginnend mit einem beliebigen Wert für U_C wird U_C solange variiert, bis bei minimaler Variation U_C ± ΔU_C ein Schal­ ten des Komparators erfolgt. Dann ist U_M = U_C ± ΔU_C. Dieses Ver­ fahren hat den Vorteil, daß es gegenüber den bekannten Verfahren sehr einfach ist und kostengünstig realisiert werden kann.

Zur Minimierung der Differenzspannung wird vorteilhafterweise gemäß Anspruch 2 eine Intervall-Schachtelung durchgeführt.

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 hat den Vorteil, daß zur Messung einer analogen Spannung ein preiswerter Mikroprozessor ohne einen Analog-Digital-Wandler verwendet werden kann. Sowohl die Erzeugung eines impulsbreitenmodulierten digitalen Signals als auch die Auswertung des Komparatorsignals wird von dem Mikro­ prozessor durchgeführt.

Ein weiterer Vorteil der Weiterbildung nach Anspruch 3 ist darin zu sehen, daß für eine Vielzahl von technischen An­ wendungen wie z. B. für die digitale Anzeige z. B. der Ge­ schwindigkeit in Cockpit-Instrumenten geschaffen wird.

Die Weiterbildung nach Anspruch 4 hat den Vorteil, daß mit dem Mikroprozessor mehrere Spannungen gemessen werden können.

Bei der Schaltung nach Anspruch 5 wird als Komparator (Spannungs­ vergleicher) ein offener Operationsverstärker verwendet. Dies hat den Vorteil, daß es sich bei dem Komparator um ein Standard­ bauteil handelt, welches die Kosten der Schaltung weiter senkt.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Tiefpaßfilter um ein R-C-Glied. Hierdurch wird die Rechteckspannung hinreichend glatt in eine analoge Spannung umgewandelt. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß keine störenden Induktivitäten in der Schaltung auftreten.

Vorteilhafterweise ist das Tiefpaßfilter gemäß Anspruch 7 ein aus einem Operationsverstärker aufgebautes aktives Tiefpaßfilter 2. oder höherer Ordnung. Dieser Aufbau des Tiefpaßfilters hat den Vorteil, daß dieses eine bessere Flankensteilheit aufweist.

Die Weiterbildung nach Anspruch 8 hat den Vorteil, daß die Zeit, welche zur Stabilisierung der Referenzspannung hinter dem Tief­ paßfilter notwendig ist, gering gehalten werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Schaltung, und

Fig. 2 zeigt die impulsbreitenmodulierte Rechteck­ spannung.

Der Mikroprozessor 1 wird von einer Konstantspannungsquelle 9 versorgt. Der Mikroprozessor 1 weist einen integrierten Taktgeber 6 auf, welcher mit der Impulsbreitenmodulations­ steuerung 7 verbunden ist. Der Taktgeber 6 arbeitet in einem Bereich von 1 MHz. Die kleinste Änderung der Impulsweite beträgt somit rund 1 µs. Der digitale Ausgang 10 des Mikro­ prozessors 1 ist mit dem Tiefpaßfilter 2 verbunden. Das digitale Signal wird vom Tiefpaßfilter 2 in eine analoge Spannung umgewandelt. Im Komparator 3, der mit dem Tiefpaß­ filter verbunden ist wird die Referenzspannung U_C mit der Spannung U_M digital verglichen. Der Komparator 3 ist mit dem digitalen Eingang 11 des Mikroprozessors 1 und der Auswerte­ schaltung 8 verbunden.

Die Auswerteschaltung 8 ist zum einen mit der Steuerung 7 und über den Ausgang 12 des Mikroprozessors 1 mit einer Anzeige 5 verbunden. Die Auswerteschaltung führt die Intervallschachtelung durch. Die impulsweitenmodulierte Rechteckspannung wird solange verändert, bis der Komparator um einen vorgegebenen Meß­ auflösungswert ΔU_C hin- und herschaltet. Ist dieser Punkt erreicht, so wird die Spannung U_M in der Anzeige 5 angezeigt.

In der Fig. 2 ist die impulsweitenmodulierte Rechteck­ spannung dargestellt. Die Rechteckspannung weist eine konstante Periode T und eine konstante Amplitude A auf. Bei der Impulsweitenmodulation werden die Zeiten für die Zustände "1" und "0" verändert. Durch diese Änderung der Zeiten wird der Gleichspannungsanteil hinter dem Tiefpaß­ filter 2 in Abhängigkeit von dem Verhältnis "1"/"0" ver­ ändert.

Zur Messung mehrerer Spannungen U_M ist eine Kanalum­ schaltung 4 vorgesehen. In der Fig. 1 weist die Kanal­ umschaltung 4 acht Analogeingänge auf. Zur Kanalauswahl werden digitale Ein-Ausgabeleitungen des Mikroprozessors die man per Software gegen Masse oder als hochohmigen Ein­ gang konfiguriert, genutzt um ein ausgewähltes Analog­ signal zum Komparator 3 durchzuschalten.

Claims (6)

1. Verfahren zum Messen einer Spannung U_M durch Ver­ gleich mit einer veränderbaren Referenzspannung U_C mit Hilfe eines Komparators (3), wobei die Referenz­ spannung U_C durch Tiefpaßfilterung einer impulsbreiten­ modulierten Folge von rechteckigen Spannungsimpulsen mit konstanter Periode T und konstanter Amplitude A ge­ bildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der Spannungs­ impulse aus einer konstanten Spannung durch einen Mikro­ prozessor (1) gebildet wird, der die Impulsbreite ab­ hängig von dem ihm zugefügten digitalen Ausgangssignal U_C ≷ U_M des Komparators (3) nach einem Verfahren der sukzessiven Approximation berechnet und zur Anzeige bringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur iterativen Approximation die Referenz­ spannung U_C mit einer Intervall-Schachtelung solange variiert wird, bis bei minimaler Variation ± ΔU_C nur noch ein Hin- und Herschalten des Komparators detektiert wird.

3. Schaltung zum Durchführen des Verfahrens nach An­ spruch 1,
mit einem Komparator mit einem Eingang für die Referenz­ spannung U_C und mit einem Eingang für die Meßspannung U_M,
mit einer Steuerschaltung, die mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist und einen Impulsbreitenmo­ dulator steuert, der mit einer Konstantspannungsquelle verbunden ist und aus einer ihm zugeführten konstanten Spannung eine Folge von rechteckigen Spannungsimpulsen mit konstanter Periode T und mit konstanter Amplitude A liefert,
und mit einem Tiefpaßfilter, welches aus der Folge von Spannungsimpulsen die Referenzspannung U_C formt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung ein Mikroprozessor (1) ist, der von der Konstantspannungs­ quelle (9) versorgt ist und die Impulsbreite abhängig von dem ihm zugeführten digitalen Ausgangssignal U_C ≷ U_M des Komparators (3) nach einem Verfahren der sukzessiven Approximation mit Hilfe eines internen Taktgebers (6) be­ rechnet und an einem Ausgang (12) zur Anzeige bereit­ stellt.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (1) mehrere digitale Ein/Aus­ gabeleitungen (13) aufweist, die zur wahlweisen Messung einer von mehreren Spannungen U_M mittels eines Programms gegen Masse oder als hochohmiger Eingang konfiguriert wer­ den, um so die Spannung U_M zum Komparator (3) durchzuschalten.

5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (3) ein offener Operationsver­ stärker ist.

6. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (2) ein aktives Tiefpaßfilter (2) oder höherer Ordnung ist und eine Zeitkonstante von ca. 1 ms aufweist.