WO1994024770A1 - Device for digitising an analog voltage - Google Patents

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WO1994024770A1
WO1994024770A1 PCT/EP1994/000952 EP9400952W WO9424770A1 WO 1994024770 A1 WO1994024770 A1 WO 1994024770A1 EP 9400952 W EP9400952 W EP 9400952W WO 9424770 A1 WO9424770 A1 WO 9424770A1
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analog
voltage
digital
pulse width
digital converter
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PCT/EP1994/000952
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Norbert Rolff
Randolf Rolff
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Leybold Aktiengesellschaft
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/14—Conversion in steps with each step involving the same or a different conversion means and delivering more than one bit
    • H03M1/16—Conversion in steps with each step involving the same or a different conversion means and delivering more than one bit with scale factor modification, i.e. by changing the amplification between the steps
    • H03M1/162—Conversion in steps with each step involving the same or a different conversion means and delivering more than one bit with scale factor modification, i.e. by changing the amplification between the steps the steps being performed sequentially in a single stage, i.e. recirculation type
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/66—Digital/analogue converters
    • H03M1/82—Digital/analogue converters with intermediate conversion to time interval
    • H03M1/822—Digital/analogue converters with intermediate conversion to time interval using pulse width modulation

Definitions

  • the invention relates to a device for digitizing an analog voltage according to the preamble of claim 1.
  • a problem of all methods is the rapidly increasing effort with a larger word width.
  • the input signal is compared with n reference voltages in the case of an N-bit converter.
  • the number of comparators required for the comparison increases exponentially with the word width.
  • a / D converters with a large word width are required.
  • a 10-bit conversion for example, is realized according to the 2-step method in that the top five bits are converted in parallel in a first step. The result represents the roughly quantized value of the analog input voltage.
  • the digital value obtained is converted back into an analog voltage, which is subtracted from the input voltage.
  • the difference voltage is then digitized with a second A / D converter channel into a finely quantized digital value.
  • the differential voltage in a 2-stage 10-bit converter is amplified by a factor of 32 (Tietze Schenk; semiconductor circuit technology, 9th edition, section 23.8.2 ).
  • the accuracy of the D / A converter in the known circuit has to meet relatively high requirements. However, converters with high accuracy can only be implemented with great technical effort and are relatively expensive.
  • the invention has for its object to provide a device for digitizing an analog voltage, which allows implementation with high accuracy and can be implemented with relatively little effort.
  • the digital / analog converter consists of an adjustable pulse width generator with a subsequent low-pass filter, the is set using the roughly quantized first digital value of the first A / D converter channel.
  • a output of the low-pass filter is an analog voltage converted back from the digital value, which corresponds roughly quantized to the input voltage.
  • the difference to the input voltage is fed, possibly amplified, to the second A / D converter channel and a second digital value is formed, which is finer quantized in relation to the input.
  • An exact overall result can be calculated from the two digital values.
  • the pulse width generator with a downstream low-pass filter allows implementation with high accuracy.
  • the advantage of the device lies in a very inexpensive, simple and precise analog / digital conversion, since there is no need for a conventional D / A converter, the accuracy of which is subject to very high requirements.
  • the advantages of the device according to the invention are particularly evident when the device is used in a circuit which contains a microcomputer. This is because an A / D converter with several input channels and a pulse width generator are already included in a suitable microcomputer.
  • Two separate A / D converters can be used for converting the analog input voltage and converting the differential voltage at the output of the differential amplifier.
  • an A / D converter instead of two separate converters, which is preceded by a multiplexer.
  • the analog input signal and the differential voltage are then alternately applied to the A / D converter.
  • the differential amplifier is advantageously an operational amplifier connected as a reversing amplifier.
  • a switching device is expediently provided, which can put the inverting input of the reversing amplifier or the total input at ground potential.
  • the pulse width generator for the offset adjustment is set so that there is a small positive voltage at the output of the low-pass filter or the non-inverting input of the operational amplifier, but its value is greater than the offset voltage. A positive voltage is then always present at the output of the operational amplifier, regardless of the sign of the offset voltage.
  • the offset voltage can then be determined from the voltage arising at the output of the operational amplifier with the aid of the second A / D converter channel, digitized and calculated out of the overall result.
  • a switching device can be provided for the offset adjustment, which can apply the non-inverting input of the operational amplifier or the total input to a reference voltage, so that the A / D converter works in the linear range.
  • the pulse width generator is then set for the offset adjustment so that there is a very low voltage at the output of the low-pass filter.
  • a circuit arrangement with a plurality of amplifier elements can also be used as the inverting or non-inverting differential amplifier. Since an ideal low-pass filter cannot be realized technically, the analog voltage at the output of the low-pass filter has a ripple. Therefore, the voltage present at the output of the differential amplifier can be sampled several times and an average value for the A / D conversion can be formed from the sampled values. With the averaging, measurement inaccuracies due to voltage fluctuations of the input signal can also be reduced.
  • the voltage is advantageously sampled synchronously with the pulse-width-modulated signal of the pulse width generator.
  • An average value can then be formed from at least two sample values which are offset in time by the length of half a period of the PWM signal, and which largely corresponds to the output signal of an ideal low-pass filter.
  • the low-pass filter can also be wholly or partly integrated in the differential amplifier and / or connected downstream of it.
  • 1 is a block diagram of the device for digitizing an analog voltage with an operational amplifier connected as a reversing amplifier
  • Fig. 2 shows the voltage curve of the PWM signal and the signal at the output of the low-pass filter and 3 shows a circuit diagram of the device for digitizing an analog voltage with an operational amplifier connected as a non-inverting amplifier.
  • the device for digitizing an analog voltage has a 10-bit analog / digital converter 1 with an upstream multiplexer 3.
  • the first input 5 of the multiplexer 3 is connected via a voltage follower 7 to the output 9 of a switching device 11 designed as a multiplexer.
  • the analog input voltage U to be converted into a digital value is present at one input 13 of the switching device 11, while the other input 15 is at ground potential.
  • the two signal inputs 13, 15 are switched over via the control line 17.
  • the device for digitizing an analog voltage also has an adjustable pulse width generator 18 which, with the A / D converter 1, the multiplexer 5 and the computing unit 6, is part of a microcomputer 20 .
  • the output 22 of the adjustable pulse width generator 18 is connected to the signal input 24 of an electronic switching element 26.
  • the electronic switching element 26 is designed such that a reference voltage V_ is at its signal output 28 when the voltage at the output of the pulse width generator 18 is logic '1' and the signal output is at ground potential when the voltage at the output of the Pulse width generator is logic '0'.
  • the output 28 of the electronic switching element is connected via a low-pass filter 30 to one input 32 of a differential amplifier 34 ', the other input 37 of which is connected to the output of the voltage follower 7.
  • the differential amplifier 34 consists of a Operators connected to amplifiers 36 with the resistor R in the input branch and the feedback resistor R_. The one through the resistors The given gain factor of the inverting amplifier is 32.
  • the output 38 of the inverting amplifier is connected to the second signal input 40 of the multiplexer 3 contained in the microcomputer 20.
  • the microcomputer -20 also contains a control and computing unit, not shown in FIG. 1, which can also control the multiplexer 11 via the line 17, among other things.
  • Analog input voltage U to be converted into a digital value is converted into a roughly quantized digital value in the A / D converter 2.
  • the computing unit 6 sets the pulse width generator to this roughly quantized digital value, so that an analog voltage which corresponds to the input voltage but is roughly quantized is present at the output of the low-pass filter 30.
  • the differential amplifier 34 forms the difference between the analog input voltage U and the voltage at the output of the low-pass filter.
  • the resulting differential voltage at the output 38 of the differential amplifier 34 is digitized again in the A / D converter 2 in a second operating cycle.
  • the exact digital value which corresponds to the analog input voltage can then be formed in the computing unit 6 from the first roughly quantized digital value and the second finely quantized digital value.
  • a control signal is applied to the control line 17 of the switching device 11, so that the input 37 of the reversing amplifier 34 is at ground potential except for offset errors.
  • the pulse width generator 18 is set by the control unit in the microcomputer so that there is a small positive voltage at the output of the low-pass filter 30. If the positive target voltage is greater than the offset voltage, the offset voltage can be independent of its polarity from the known predetermined target voltage at the output of the low-pass filter 30 and that at the output 38 of the differential amplifier 34 setting voltage are determined and taken into account by the computing unit.
  • the differential voltage present at the output of the differential amplifier 34 can be sampled several times and an average value can be formed from the sampled values. This can reduce errors that can be attributed to voltage fluctuations.
  • the analog signal 44 is advantageously sampled synchronously with the PWM signal 46 Computing unit 6 formed an average value which largely corresponds to the ideal DC voltage 42.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the device for digitizing an analog voltage.
  • the device according to FIG. 3 differs from the device according to FIG. 1 by the non-inverting amplifier 34 '.
  • a reference voltage source 52 with a positive reference voltage U f is connected to the second input 15 of the switching device 11 arranged in the signal input.
  • a control signal is applied to the control line 17 of the switching device 11, so that the reference voltage U _ is at the input 37 'of the operational amplifier 36', and the pulse width generator 18 is set so that the voltage at the output of the low-pass filter -Filters 30 is very small.
  • the offset voltage can then be determined from the voltage at the output of the differential amplifier. Because of the high-impedance input of the non-inverting amplifier, the voltage follower in the signal input can be dispensed with in this exemplary embodiment.

Abstract

A device for digitising an analog voltage has a first analog/digital converter channel (5, 1) to convert the analog input voltage into a roughly quantified digital value. A digital/analog converter consisting of an adjustable pulse-width generator (18) with a downstream low-pass filter (30) converts the digital value obtained back into an analog voltage. In addition, the device has a differential amplifier (34) which forms and amplifies the difference between the analog input voltage Ue and the reconverted analog voltage. The amplified differential voltage (38) obtained is converted into a finely quantified digital value in a second analog/digital converter channel (40, 1). The first and second analog/digital converter channels (5, 40) are preferably formed by an analog/digital converter (1) with an upstream multiplexer (3). The pulse width generator (18) with its downstream low-pass filter (30) makes for highly accurate conversion. The advantage of the device lies in its very simple, economical and accurate analog/digital conversion.

Description

Vorrichtung zum Digitalisieren einer Ana1ogsp nnung Device for digitizing an analog voltage
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analogspannung nach dem Ober¬ begriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for digitizing an analog voltage according to the preamble of claim 1.
Zur Wandlung einer analogen Spannung in einen Digital¬ wert gibt es zahlreiche Verfahren. Ein Problem aller Verfahren ist der stark steigende Aufwand bei einer größeren Wortbreite. Z.B. bei dem Parallelumsetzungs- verfahren wird bei einem N-Bit-Wandler das Eingangs¬ signal mit n Referenzspannungen verglichen. Die Zahl der für den Vergleich erforderlichen Ko paratoren steigt exponentiell mit der Wortbreite. Um den Quantisierungsfehler bei der Umsetzung einer Analog¬ spannung in einen Digitalwert möglichst gering zu halten, werden aber A/D-Wandler mit einer großen Wort¬ breite benötigt. Zur Reduzierung des Aufwandes ist es bekannt, den A/D-Wandler zweistufig auszubilden. Ein 10-Bit-Umsetzαr beispielsweise wird nach dem 2-Stufen-Verfahren dadurch realisiert, daß in einem ersten Schritt die obersten fünf Bit parallel umgewandelt werden. Das Ergebnis stellt den grob quantisierten Wert der analogen Ein¬ gangsspannung dar. Mit einem D/A-Umsetzer wird der ge¬ wonnene Digitalwert in eine Analogspannung zurückge¬ wandelt, die von der Eingangsspannung subtrahiert wird. Die Differenzεpannung wird dann mit einem zweiten A/D-Wandler-Kanal in einen fein quantisierten Digital¬ wert digitalisiert. Um zwei A/D-Wandler mit demselben Eingangsspannungsbereich verwenden zu können, wird die Differenzspannung bei einem 2-stufigen 10-Bit-Umsetzer mit dem Faktor 32 verstärkt (Tietze Schenk; Halbleiter- Schaltungstechnik, 9. Aufl., Abschn. 23.8.2). An die Genauigkeit des D/A-Umsetzers sind bei der bekannten Schaltung relativ große Anforderungen zu stellen. Um¬ setzer mit großer Genauigkeit sind aber nur mit hohem technischen Aufwand realisierbar und sind relativ teuer.There are numerous methods for converting an analog voltage into a digital value. A problem of all methods is the rapidly increasing effort with a larger word width. For example, in the case of the parallel conversion method, the input signal is compared with n reference voltages in the case of an N-bit converter. The number of comparators required for the comparison increases exponentially with the word width. In order to keep the quantization error when converting an analog voltage into a digital value as low as possible, however, A / D converters with a large word width are required. To reduce the effort, it is known to design the A / D converter in two stages. A 10-bit conversion, for example, is realized according to the 2-step method in that the top five bits are converted in parallel in a first step. The result represents the roughly quantized value of the analog input voltage. With a D / A converter, the digital value obtained is converted back into an analog voltage, which is subtracted from the input voltage. The difference voltage is then digitized with a second A / D converter channel into a finely quantized digital value. In order to be able to use two A / D converters with the same input voltage range, the differential voltage in a 2-stage 10-bit converter is amplified by a factor of 32 (Tietze Schenk; semiconductor circuit technology, 9th edition, section 23.8.2 ). The accuracy of the D / A converter in the known circuit has to meet relatively high requirements. However, converters with high accuracy can only be implemented with great technical effort and are relatively expensive.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor¬ richtung zum Digitalisieren einer Analogspannung zu schaffen, die eine Umsetzung mit hoher Genauigkeit erlaubt und mit verhältnismäßig geringem Aufwand realisierbar ist.The invention has for its object to provide a device for digitizing an analog voltage, which allows implementation with high accuracy and can be implemented with relatively little effort.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.This object is achieved according to the invention with the features specified in claim 1.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht der Digital/Analog-Umsetzer aus einem einstellbaren Puls- weitengenerator mit nachfolgendem Tiefpaßfilter, der mit Hilfe des grob quantisierten ersten Digitalwertes des ersten A/D-Wandler-Kanals eingestellt wird. A Ausgang des Tiefpaß-Filters liegt eine aus dem Digitalwert zurückgewandelte Analogspannung an, die der Eingangsspannung grob quantisiert entspricht. Die Differenz zur Eingangsspannung wird, ggf. verstärkt, dem zweiten A/D-Wandler-Kanal zugeführt und es wird ein zweiter Digitalwert, der auf den Eingang bezogen feiner quantisiert ist, gebildet. Aus den beiden Digitalwerten läßt sich ein genaues Gesamtergebnis errechnen. Der Pulsweitengenerator mit nachgeschaltetem Tiefpaß-Filter erlaubt eine Umsetzung mit hoher Genauigkeit. Der Vor¬ teil der Vorrichtung liegt in einer sehr preiswerten, einfachen und genauen Analog/Digital-Umsetzung, da auf einen konventionellen D/A-Wandler verzichtet werden kann, an dessen Genauigkeit sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die Vorrichtung in einer Schaltung eingesetzt wird, die einen Mikrocomputer enthält. Denn ein A/D-Wandler mit mehreren Eingangskanälen und ein Pulsweitengenerator sind in einem geeigneten Mikrocomputer bereits ent¬ halten.In the device according to the invention, the digital / analog converter consists of an adjustable pulse width generator with a subsequent low-pass filter, the is set using the roughly quantized first digital value of the first A / D converter channel. A output of the low-pass filter is an analog voltage converted back from the digital value, which corresponds roughly quantized to the input voltage. The difference to the input voltage is fed, possibly amplified, to the second A / D converter channel and a second digital value is formed, which is finer quantized in relation to the input. An exact overall result can be calculated from the two digital values. The pulse width generator with a downstream low-pass filter allows implementation with high accuracy. The advantage of the device lies in a very inexpensive, simple and precise analog / digital conversion, since there is no need for a conventional D / A converter, the accuracy of which is subject to very high requirements. The advantages of the device according to the invention are particularly evident when the device is used in a circuit which contains a microcomputer. This is because an A / D converter with several input channels and a pulse width generator are already included in a suitable microcomputer.
Für die Umsetzung der analogen Eingangsspannung und der Umsetzung der Differenzspannung am Ausgang des Dif¬ ferenzverstärkers können zwei separate A/D-Wandler Ver¬ wendung finden. Um den schaltungstechnischen Aufwand möglichst gering zu halten, ist es aber auch möglich, anstelle von zwei separaten Wandlern, einen A/D-Wandler einzusetzen, dem ein Multiplexer vorgeschaltet ist. Das analoge Eingangssignal und die Differenzspannung werden dann abwechselnd an den A/D-Wandler gelegt. Vorteilhafterweise ist der Differenzverstärker ein als Umkehrverstärker beschalteter Operationsverstärker. Zum Abgleich der Offset-Spannung ist zweck äßigerweiεe eine Schalteinrichtung vorgesehen, die den invertierenden Eingang des Umkehrverstärkers bzw. den Gesamteingang auf Masse-Potential legen kann. Falls ein unipolarer A/D-Wandler Verwendung findet, wird der Pulsweiten- generator für den Offset-Abgleich so eingestellt, daß an dem Ausgang des Tiefpaß-Filters bzw. dem nicht- invertierenden Eingang des Operationsverstärkers eine kleine positive Spannung liegt, deren Wert aber größer als die Offset-Spannung ist. Am Ausgang des Operations¬ verstärkers liegt dann unabhängig von dem Vorzeichen der Offset-Spannung immer eine positive Spannung an. Die Offset-Spannung kann dann aus der sich am Ausgang des Operationsverstärkers einstellenden Spannung mit Hilfe des zweiten A/D-Wandler-Kanals ermittelt, digitalisiert und beim Gesamtergebnis herausgerechnet werden.Two separate A / D converters can be used for converting the analog input voltage and converting the differential voltage at the output of the differential amplifier. In order to keep the circuit complexity as low as possible, it is also possible to use an A / D converter instead of two separate converters, which is preceded by a multiplexer. The analog input signal and the differential voltage are then alternately applied to the A / D converter. The differential amplifier is advantageously an operational amplifier connected as a reversing amplifier. To adjust the offset voltage, a switching device is expediently provided, which can put the inverting input of the reversing amplifier or the total input at ground potential. If a unipolar A / D converter is used, the pulse width generator for the offset adjustment is set so that there is a small positive voltage at the output of the low-pass filter or the non-inverting input of the operational amplifier, but its value is greater than the offset voltage. A positive voltage is then always present at the output of the operational amplifier, regardless of the sign of the offset voltage. The offset voltage can then be determined from the voltage arising at the output of the operational amplifier with the aid of the second A / D converter channel, digitized and calculated out of the overall result.
Für den Fall, daß der Differenzverstärker ein als nicht-invertierender Verstärker beschalteter Operationsverstärker ist, kann zum Offset-Abgleich eine Schalteinrichtung vorgesehen sein, die den nicht- invertierenden Eingang des Operationsverstärkers bzw. den Gesamteingang an eine Referenzspannung legen kann, so daß der A/D-Wandler im linearen Bereich arbeitet. Der Pulsweitengenerator wird für den Offset-Abgleich dann so eingestellt, daß am Ausgang des Tiefpaß-Filters eine sehr kleine Spannung liegt.In the event that the differential amplifier is an operational amplifier wired as a non-inverting amplifier, a switching device can be provided for the offset adjustment, which can apply the non-inverting input of the operational amplifier or the total input to a reference voltage, so that the A / D converter works in the linear range. The pulse width generator is then set for the offset adjustment so that there is a very low voltage at the output of the low-pass filter.
Bei Wahl einer geeigneten Referenzspannung läßt sich auch ein Endwertabgleich durchführen. Als invertieren¬ der bzw. nichtinvertierender Differenzverstärker kann man jeweils auch eine Schaltungsanordnung mit mehreren Verstärkerelementen verwenden. Da sich ein idealer Tiefpaß technisch nicht realisieren läßt, weist die analoge Spannung am Ausgang des Tief¬ paß-Filters eine Welligkeit auf. Deshalb kann man die am Ausgang des Differenzverstärkers anliegende Spannung mehrmals abtasten und aus den Abtastwerten ein Mittel¬ wert für die A/D-Wandlung bilden. Mit der Mittelwert¬ bildung lassen sich weiterhin Meßungenauigkeiten auf¬ grund von Spannungsschwankungen des Eingangssignals verringern.If a suitable reference voltage is selected, a final value comparison can also be carried out. A circuit arrangement with a plurality of amplifier elements can also be used as the inverting or non-inverting differential amplifier. Since an ideal low-pass filter cannot be realized technically, the analog voltage at the output of the low-pass filter has a ripple. Therefore, the voltage present at the output of the differential amplifier can be sampled several times and an average value for the A / D conversion can be formed from the sampled values. With the averaging, measurement inaccuracies due to voltage fluctuations of the input signal can also be reduced.
Die Spannung wird vorteilhafterweise synchron zu dem puls-weiten-modulierten Signal des Pulsweitengenerators abgetastet. Aus mindestens zwei um die Länge einer halben Periode des PWM-Signals zueinander zeitver¬ setzten Abtastwerten kann dann ein Mittelwert gebildet werden, der dem Ausgangssignal eines idealen Tiefpaß- Filters weitgehend entspricht. Das Tiefpaß-Filter kann auch ganz oder teilweise im Differenzverstärker integriert und/oder ihm nachgeschaltet sein.The voltage is advantageously sampled synchronously with the pulse-width-modulated signal of the pulse width generator. An average value can then be formed from at least two sample values which are offset in time by the length of half a period of the PWM signal, and which largely corresponds to the output signal of an ideal low-pass filter. The low-pass filter can also be wholly or partly integrated in the differential amplifier and / or connected downstream of it.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun¬ gen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher er¬ läutert.Two exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analogspannung mit einem als Umkehrverstärker beschalteten Operations¬ verstärker,1 is a block diagram of the device for digitizing an analog voltage with an operational amplifier connected as a reversing amplifier,
Fig. 2 den Spannungsverlauf des PWM-Signals und des Signals am Ausgang des Tiefpaß-Filters und Fig. 3 ein Schaltbild der Vorrichtung zum Digitalisie¬ ren einer Analogspannung mit einem als nicht- invertierender Verstärker beschalteten Operationsverstärker.Fig. 2 shows the voltage curve of the PWM signal and the signal at the output of the low-pass filter and 3 shows a circuit diagram of the device for digitizing an analog voltage with an operational amplifier connected as a non-inverting amplifier.
Die Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analogspannung weist einen 10-Bit Analog/Digital-Wandler 1 mit einem vorgeschalteten Multiplexer 3 auf. Der erste Eingang 5 des Multiplexers 3 ist über einen Spannungsfolger 7 mit dem Ausgang 9 einer als Multiplexer ausgebildeten Schalteinrichtung 11 verbunden. An dem einen Eingang 13 der Schalteinrichtung 11 liegt die in einen Digitalwert umzusetzende analoge Eingangsspannung U an, während der andere Eingang 15 auf Masse-Potenial liegt. Die Umschaltung der beiden Signaleingänge 13,15 erfolgt über die Steuerleitung 17. Die Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analogspannung weist ferner einen einstellbaren Pulsweitengenerator 18 auf, der mit dem A/D-Wandler 1, dem Multiplexer 5 und der Recheneinheit 6 Bestandteil eines Mikrocomputers 20 sind. Der Ausgang 22 des einstellbaren Pulsweitengenerators 18 ist mit dem Signaleingang 24 eines elektronischen Schalt¬ elements 26 verbunden. Das elektronische Schaltelement 26 ist derart beschaffen, daß an seinem Signalausgang 28 eine Referenzspannung V _ liegt, wenn die am Aus¬ gang des Pulsweitengenerators 18 liegende Spannung logisch '1' ist und der Signalausgang auf Masse- Potential liegt, wenn die Spannung am Ausgang des Puls¬ weitengenerators logisch '0' ist. Der Ausgang 28 des elektronischen Schaltelements ist über einen Tiefpaß- Filter 30 mit dem einen Eingang 32 eines Differenz- verstärkers 34 »verbunden, dessen anderer Eingang 37 mit dem Ausgang des Spannungsfolgers 7 verbunden ist. Der Differenzverstärkers 34 besteht aus einem als Umkehr- Verstärker beschalteten Operationsverstärker 36 mit dem Widerstand R im Eingangszweig und dem Rückkopplungs- widerstand R_ . Der durch die Widerstände
Figure imgf000009_0001
vor~ gegebene Verstärkungsfaktor des invertierenden Ver¬ stärkers beträgt 32. Der Ausgang 38 des invertierenden Verstärkers ist mit dem zweiten Signaleingang 40 des im Mikrocomputer 20 enthaltenen Multiplexers 3 verbunden. Der Mikrocomputer -20 enthält ferner eine in Fig. 1 nicht dargestellte Steuer- und Recheneinheit, die unter anderem auch den Multiplexer 11 über die Leitung 17 steuern kann.The device for digitizing an analog voltage has a 10-bit analog / digital converter 1 with an upstream multiplexer 3. The first input 5 of the multiplexer 3 is connected via a voltage follower 7 to the output 9 of a switching device 11 designed as a multiplexer. The analog input voltage U to be converted into a digital value is present at one input 13 of the switching device 11, while the other input 15 is at ground potential. The two signal inputs 13, 15 are switched over via the control line 17. The device for digitizing an analog voltage also has an adjustable pulse width generator 18 which, with the A / D converter 1, the multiplexer 5 and the computing unit 6, is part of a microcomputer 20 . The output 22 of the adjustable pulse width generator 18 is connected to the signal input 24 of an electronic switching element 26. The electronic switching element 26 is designed such that a reference voltage V_ is at its signal output 28 when the voltage at the output of the pulse width generator 18 is logic '1' and the signal output is at ground potential when the voltage at the output of the Pulse width generator is logic '0'. The output 28 of the electronic switching element is connected via a low-pass filter 30 to one input 32 of a differential amplifier 34 ', the other input 37 of which is connected to the output of the voltage follower 7. The differential amplifier 34 consists of a Operators connected to amplifiers 36 with the resistor R in the input branch and the feedback resistor R_. The one through the resistors
Figure imgf000009_0001
The given gain factor of the inverting amplifier is 32. The output 38 of the inverting amplifier is connected to the second signal input 40 of the multiplexer 3 contained in the microcomputer 20. The microcomputer -20 also contains a control and computing unit, not shown in FIG. 1, which can also control the multiplexer 11 via the line 17, among other things.
Nachfolgend wird die Funktion der Vorrichtung be¬ schrieben. Die. in einen Digitalwert umzuwandelnde analoge Eingangsspannung U wird in dem A/D-Wandler 2 in einen grob quantisierten Digitalwert umgesetzt. Die Recheneinheit 6 stellt den Pulsweitengenerator auf diesen grob quantisierten Digitalwert ein, so daß am Ausgang des Tiefpaß-Filters 30 eine der Eingangs¬ spannung entsprechende, jedoch grob quantisierte, analoge Spannung anliegt. Der Differenzverstärker 34 bildet die Differenz zwischen der analogen Eingangs¬ spannung U und der Spannung am Ausgang des Tiefpaß- Filters. Die resultierende Differenzspannung am Ausgang 38 des Differenzverstärker 34 wird in einem zweiten Arbeitstakt in dem A/D-Wandler 2 erneut digitalisiert. In der Recheneinheit 6 kann dann aus dem ersten grob quantisierten Digitalwert und dem zweiten fein quantisierten Digitalwert der exakte Digitalwert ge¬ bildet werden, der der analogen Eingangsspannung ent¬ spricht.The function of the device is described below. The. Analog input voltage U to be converted into a digital value is converted into a roughly quantized digital value in the A / D converter 2. The computing unit 6 sets the pulse width generator to this roughly quantized digital value, so that an analog voltage which corresponds to the input voltage but is roughly quantized is present at the output of the low-pass filter 30. The differential amplifier 34 forms the difference between the analog input voltage U and the voltage at the output of the low-pass filter. The resulting differential voltage at the output 38 of the differential amplifier 34 is digitized again in the A / D converter 2 in a second operating cycle. The exact digital value which corresponds to the analog input voltage can then be formed in the computing unit 6 from the first roughly quantized digital value and the second finely quantized digital value.
Zum Abgleich der Offset-Spannung wird an die Steuer¬ leitung 17 der Schalteinrichtung 11 ein Steuersignal gelegt, so daß der Eingang 37 des Umkehrverεtärkers 34 bis auf Offsetfehler auf Massepotential liegt. Der Pulsweitengenerator 18 wird von der Steuereinheit im Mikrocomputer so eingestellt, daß am Ausgang des Tief¬ paß-Filters 30 eine kleine positive Spannung liegt. Sofern die positive Soll-Spannung größer als die Offset-Spannung ist, kann die Offset-Spannung unab¬ hängig von ihrer Polarität aus der bekannten vor¬ gegebenen Soll-Spannung am Ausgang des Tiefpaß-Filters 30 und der am Ausgang 38 des Differenzverstärkers 34 sich einstellenden Spannung ermittelt werden und von der Recheneinheit berücksichtigt werden.To adjust the offset voltage, a control signal is applied to the control line 17 of the switching device 11, so that the input 37 of the reversing amplifier 34 is at ground potential except for offset errors. The pulse width generator 18 is set by the control unit in the microcomputer so that there is a small positive voltage at the output of the low-pass filter 30. If the positive target voltage is greater than the offset voltage, the offset voltage can be independent of its polarity from the known predetermined target voltage at the output of the low-pass filter 30 and that at the output 38 of the differential amplifier 34 setting voltage are determined and taken into account by the computing unit.
Zur Erhöhung der Genauigkeit des Umsetzers kann die am Ausgang des Differenzverstärkers 34 anliegende Dif¬ ferenzspannung mehrmals abgetastet und aus den Abtast¬ werten ein Mittelwert gebildet werden. Damit lassen sich Fehler reduzieren, die auf Spannungsschwankungen zurückzuführen sind.To increase the accuracy of the converter, the differential voltage present at the output of the differential amplifier 34 can be sampled several times and an average value can be formed from the sampled values. This can reduce errors that can be attributed to voltage fluctuations.
Ungenauigkeiten können sich aber auch daraus ergeben, daß der Tiefpaß-Filter 30 kein ideales Tiefpaß- Verhalten hat. An dem Ausgang des Tiefpaß-Filters 30 und somit auch am Ausgang 38 des Differenzverstärkers 34 liegt daher in der Praxis keine konstante Gleich¬ spannung, sondern eine Gleichspannung 42 mit über¬ lagerter Sinusspannung 44, deren Frequenz der Frequenz des PWM-Signals 46 entspricht. Der Verlauf des PWM- Signals 46 und der Spannung 44 am Ausgang 38 des Dif¬ ferenzverstärkers 34 sind in Fig. 2 dargestellt.Inaccuracies can also result from the fact that the low-pass filter 30 does not have an ideal low-pass behavior. In practice, therefore, there is no constant DC voltage at the output of the low-pass filter 30 and thus also at the output 38 of the differential amplifier 34, but rather a DC voltage 42 with a superimposed sine voltage 44, the frequency of which corresponds to the frequency of the PWM signal 46. The course of the PWM signal 46 and the voltage 44 at the output 38 of the differential amplifier 34 are shown in FIG. 2.
Vorteilhafterweise erfolgt die Abtastung des analogen Signals 44 synchron zum PWM-Signal 46. Aus zwei um die Länge einer halben Periode T/2 des PWM-Signals 46 zu einander zeitversetzten Abtastwerten 48,50 wird in der Recheneinheit 6 ein Mittelwert gebildet, der der idealen Gleichspannung 42 weitgehend entspricht.The analog signal 44 is advantageously sampled synchronously with the PWM signal 46 Computing unit 6 formed an average value which largely corresponds to the ideal DC voltage 42.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vor¬ richtung zum Digitalisieren einer Analogspannung. Die Vorrichtung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Vor¬ richtung nach Fig. 1 durch den nicht-invertierenden Verstärker 34'. Ferner liegt an dem zweiten Eingang 15 der im Signaleingang angeordneten Schalteinrichtung 11 eine Referenzspannungsquelle 52 mit einer positiven Referenzspannung U f. Zum Offset-Abgleich wird an die Steuerleitung 17 der Schalteinrichtung 11 ein Steuer¬ signal gelegt, so daß die Referenzspannung U _ an dem Eingang 37' des Operationsverstärkers 36' liegt, und der Pulsweitengenerator 18 wird so eingestellt, daß die Spannung am Ausgang des Tiefpaß-Filters 30 sehr klein ist. Die Offset-Spannung kann dann aus der Spannung am Ausgang des Differenzverstärkers ermittelt werden. Wegen des hochohmigen Eingangs des nicht-invertierenden Verstärkers kann bei diesem Ausführungsbeispiel auf den Spannungsfolger im Signaleingang verzichtet werden. 3 shows a further exemplary embodiment of the device for digitizing an analog voltage. The device according to FIG. 3 differs from the device according to FIG. 1 by the non-inverting amplifier 34 '. Furthermore, a reference voltage source 52 with a positive reference voltage U f is connected to the second input 15 of the switching device 11 arranged in the signal input. For offset adjustment, a control signal is applied to the control line 17 of the switching device 11, so that the reference voltage U _ is at the input 37 'of the operational amplifier 36', and the pulse width generator 18 is set so that the voltage at the output of the low-pass filter -Filters 30 is very small. The offset voltage can then be determined from the voltage at the output of the differential amplifier. Because of the high-impedance input of the non-inverting amplifier, the voltage follower in the signal input can be dispensed with in this exemplary embodiment.

Claims

PATENTANS PRϋCHE PATENTANS PRÄCHE
1. Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analog¬ spannung mit1. Device for digitizing an analog voltage with
- einem ersten Analog/Digital-Wandler-Kanal (5,1) zur Umsetzung der analogen Eingangsspannung (U ) in einen ersten gröber quantisierten Digitalwert,a first analog / digital converter channel (5, 1) for converting the analog input voltage (U) into a first, more coarsely quantized digital value,
einem Digital/Analog-Umsetzer (4) , der den ersten Digitalwert in eine Analogspannung zu¬ rückwandelt, die im wesentlichen der Eingangs¬ spannung (Uß) entspricht,a digital / analog converter (4) which converts the first digital value back into an analog voltage which essentially corresponds to the input voltage (U ß ),
einem Differenzverstärkers (34,34'), der die Differenz aus der analogen Eingangsspannung (U ) • und der zurückgewandelten Analogspannung bildet und ggf. verstärkt,( '34,34) forming a differential amplifier the difference between the analog input voltage (U), • and the reconverted analog voltage and amplified, if necessary,
einem zweiten Analog/Digital-Wandler-Kanal (40,1) zur Umsetzung der an dem Ausgang (38) des Differenzverstärkers (34) anliegenden Differenzspannung in einen zweiten feiner quantisierten Digitalwert, unda second analog / digital converter channel (40, 1) for converting the differential voltage present at the output (38) of the differential amplifier (34) into a second finer quantized digital value, and
- einer Recheneinheit . (6) , die aus den beiden Digitalwerten ein digitales Gesamtergebnis mit erhöhter Genauigkeit bildet,- an arithmetic unit. (6), which forms a digital overall result with increased accuracy from the two digital values,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daßd a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
der Digital/Analog-Umsetzer (4) aus einem Puls- weitengenerator (18) mit nachfolgendem Tiefpaß-Filter (30) besteht, wobei der Puls- weitengenerator (18) ein dem ersten Digitalwert entsprechendes puls-weiten-moduliertes Signal liefert.the digital / analog converter (4) consists of a pulse width generator (18) with a subsequent low-pass filter (30), the pulse width generator (18) delivers a pulse-width-modulated signal corresponding to the first digital value.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der erste und zweite Analog/Digital- Wandler-Kanal (2) durch einen einzigen Analog/Di¬ gital-Wandler (1) mit vorgeschaltetem Multiplexer (3) gebildet werden.2. Device according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that the first and second analog / digital converter channel (2) by a single analog / digital converter (1) with an upstream multiplexer (3) are formed.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Differenzverstärker (34) ein als Umkehrverstärker beschalteter Operations¬ verstärker (36) ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the differential amplifier (34) is a connected as a reverse amplifier operational amplifier (36).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (34') ein als nicht-invertierender Verstärker be¬ schalteter Operationsverstärker (36') ist.4. Device according to one of claims 1 or 2, da¬ characterized in that the differential amplifier (34 ') is a be¬ switched as a non-inverting amplifier operational amplifier (36').
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ge¬ kennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (11) , durch die der Eingang (8,37') auf Masse-Potential legbar ist, um den Offset-Fehler anhand des mit dem zweiten Analog/Digital-Wandler-Kanals gemes¬ senen Signals und der Stellung des Pulsweitengene¬ rators zu bestimmen und in der Recheneinheit (6) zu kompensieren.5. Device according to one of claims 1 to 4, ge indicates by a switching device (11) through which the input (8,37 ') can be connected to ground potential to the offset error based on the with the second analog / To determine the digital converter channel measured signal and the position of the pulse width generator and to compensate in the computing unit (6).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge¬ kennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (11,11'), durch die der Eingang (8,37*) an eine Referenzspannung (U → . ti →J~L ) legbar ist, um den Offset-6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized by a switching device (11, 11 ') through which the input (8.37 *) can be connected to a reference voltage (U →. Ti → J ~ L), around the offset
Fehler und/oder Endwertfehler anhand des mit dem zweiten Analog/Digital-Wandler-Kanals gemessenen Signals und der Stellung des Pulsweitengenerators zu bestimmen und in der Recheneinheit (6) zu kom¬ pensieren. To determine errors and / or final value errors on the basis of the signal measured with the second analog / digital converter channel and the position of the pulse width generator and to compensate them in the computing unit (6).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang (38) des Differenzverstärkers (34,34') anliegende Dif¬ ferenzspannung mehrmals abgetastet und aus den Abtaεtwerten ein Mittelwert für die Analog/Digital-Umsetzung gebildet wird.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the differential voltage present at the output (38) of the differential amplifier (34, 34 ') is sampled several times and an average value for the analog / digital conversion is formed from the sampled values .
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Analog/Digital- Umsetzung der Differenzspannung synchron zu dem puls-weiten-modulierten Signal des Pulsweiten- generators (18) erfolgt.8. Device according to one of claims 1 to 7, da¬ characterized in that the analog / digital conversion of the differential voltage takes place synchronously with the pulse-width-modulated signal of the pulse width generator (18).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da¬ durch gekennzeichnet, daß das Tiefpaß-Filter (30) ganz oder teilweise im Differenzverstärker (3 ,3 ') integriert ist.9. Device according to one of claims 1 to 8, da¬ characterized in that the low-pass filter (30) is wholly or partly integrated in the differential amplifier (3, 3 ').
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Pulsweitengenerator (18) und/oder der Multiplexer (3) und/oder der Analog/Digital-Wandler (1) Bestandteil eines Mikrocomputers (20) sind. 10. Device according to one of claims 1 to 9, da¬ characterized in that the pulse width generator (18) and / or the multiplexer (3) and / or the analog / digital converter (1) are part of a microcomputer (20).
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