DE1962333A1 - Analog/Digital-Umsetzer - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Beichel Dipl-Iw. V .ifrmg Beichel

6 Ficni:,uri a. M. 1
Paiksiraße 13

THE SOLARTRON ELECTRONIC GROUP LIMITED, Farnborough, England

Analog/Digital-Ums etz er

Die Erfindung betrifft einen Analog/Digital-Umsetzer mit einer-Integrierschaltung und einer Vorrichtung, die bewirkt, daß die Integrierschaltung ein analoges Eingangssignal während einer ersten Zeitspanne integriert, deren Ende durch einen Zähler signalisiert wird, der währenddessen- Taktimpulse zählt, mit einer Vorrichtung, die der Integrierschaltüng während einer zweiten Zeitspanne ein dem Eingangssignal entgegengesetztes Bezugssignal zuführt, um das Ausgangssignal der Integrierschaltung auf einen vorbestimmten Wert zurückzubringen, und die so ausgebildet ist, daß sie den Zähler veranlaßt, während der zweiten Zeitspanne eine Anzahl von Taktimpulsen zu zählen, die ein digitales Maß für das Eingangssignal ist.

Dieser Umsetzer kann z.B. in einem digitalen Spannungsmesser zum Messen elektrischer Spannungen verwendet werden, dabei wird die Eingangsspannung der Integrierschaltung während einer ersten Zeitspanne zugeführt, deren Dauer durch das Auszählen von Taktimpulsen bestimmt ist. Danach wird das entgegengesetzt gerichtete Bezugssignal anstelle der Eingangsspannung zugeführt oder dieser überlagert, um das Ausgangssignal der Integrierschaltung während einer zweiten Zeitspanne auf denjenigen Wert zurückzubringen, den es zu Beginn der ersten Zeitspanne einnahm. Gleichzeitig werden während der zweiten Zeitspanne Taktimpulse gezählt, um ein digitales Maß für die Eingangsspannung zu erhalten.

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Diese Analog/Digital-Umsetzer sind an sich bekannt, doch ergeben sich Fehler beim Durchschalten der Eingangsspannungen zur Integrierschaltung und Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Polarität der Eingangsspannung, insbesondere bei kleinen Spannungen.

Nach der Erfindung v/erden diese Nachteile dadurch vermieden, daß der Umsetzer eine Verzögerungsvorrichtung enthält, die auf den Zähler am Ende der ersten Zeitspanne anspricht und den Beginn der zweiten Zeitspanne verzögert, und daß die das Bezugssignal zuführende Vorrichtung durch die Verzögerungsvorrichtung derart steuerbar ist, daß sie das Bezugssignal am Ende der Verzögerungszeit zuführt. Die Verzögerungszeit kann klein sein im Verhältnis zur Dauer der beiden Zeitspannen, z.B. bis zu einigen zehn Mikrosekunden, wobei die erste Zeitspanne etwa 20 Millisekunden dauert. Diese Verzögerungszeit genügt jedoch, die Integrierschaltung sich beruhigen zu. lassen, nachdem die Eingangsspannung weggenommen ist.

Vorzugsweise wird die Polarität an Hand der Größe des Ausgangssignals der Integrierschaltung während der Verzögerungszeit festgestellt, wenn sich die Verhältnisse stabilisiert haben. Bei bekannten Spannungsmessern und anderen Analog/Digitäl-Umsetzerh muß die Polarität während der ersten Zeitspanne bestimmt werden. Doch wenn die Eingangs spannung sehr klein ist, können Störsignale, wie das Netzrauschen, die Polaritätsbestimmung erschweren oder unmöglich machen, d.h. die Störsignale können das Vorzeichen des Ausgangssignals im Kreuzungszeitpunkt umkehren, so daß die Polarität falsch bestimmt wird, selbst wenn die Störsignale . durch Integration über die gesamte erste Zeitspanne in an sich bekannter Weise dadurch beseitigt werden, daß diese Zeitspanne gleich der Netzperiodendauer· (20 Millisekunden bei einem 50 Hz Netz) gewählt wird. Vorzugsweise umfaßt.diese Verzögerungszeit eine erste Verzögerungszeit, während der sich das Ausgangssignal der Integrierschaltung beruhigt und nach deren Ablauf die Polarität bestimmt und dieerforderliche Polarität des Bezugssignals gewählt wird, und eine sich daran anschließende Verzögerungszeit, während der sich das Eingangssignal nach der Bezugssignal-Polarität swahl beruhigen kann.

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Die Erfindiang wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung ■ dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Analog/Digital-Umsetzers, der als digitaler Spannungsmesser verwendet wird.

In Fig. 2 ist der Verlauf des Ausgangssignals der Integrierschaltung des Umsetzers dargestellt.

In Fig. 1 sind alle Schalter als Feldeffekttransistoren (FET) dargestellt. Die unbekannte Eingangsspannung wird einem Anschluß 10 zugeführt, der mit dem Eingang eines über einen Kondensator 14 gegengekoppelten Integrierverstärkers 12 über einen Eingangs- " verstärker 16, einen Schalter 18 und einen Eingangswiderstand verbunden ist. Der Schalter 18 wird im Zeitpunkt t.. geschlossen, wodurch der Beginn einer ersten Zeitspanne markiert wird, und zwar durch ein bistabiles Kippglied 22, das durch einen einem Eingang 24 zugeführten Startimpuls "gesetzt" wird, so daß ain belegten Ausgang ein EINS-Signal auftritt. Dieses EINS-Signal schaltet ein UND-Glied 26 über ein ODER-Glied 28 durch, so daß die von einem Taktimpulsgeber 30 abgegebenen Taktimpulse einem Zähler 32 zugeführt werden. Der Zähler zählt eine vorbestimmte Anzahl von Taktimpulsen und gibt dann ein Signal ab, das das Kippglied 22 "zurücksetzt". Der Zählerstand entspricht dann einem vorgegebenen Wert, der Null sein kann. Dies geschieht im Zeit- ä punkt tgi in dem das Ausgangssignal des Integrationsverstärkers 12 den in Fig.-2 dargestellten Betrag aufweist.

Beim Zurücksetzen des bistabilen Kippgliedes 22 wird der Schalter 18 geöffnet und ein Verzögerungsglied D^ ausgelöst, dessen Verzögerungszeit zehn Mikrosekunden betragen kann und dem Integratorausgangssignal genügend Zeit läßt, sich nach dem Öffnen des Schalters 18 zu beruhigen. Die Verzögerungszeit T_D1 des Verzögerungsgliedes D₁ beginnt nach Fig. 2 im Zeitpunkt t2 und endet im Zeitpunkt t,. Es sei darauf hingewiesen, daß der Zeitmaßstab von t₂ bis t^ in Fig. 2 gegenüber dem von t,j bis t₂ und von te bis tg.stark vergrößert ist. Die Verzögerungszeit T₀₁ ist

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so gewählt, daß das Ausgangs signal des Integrationsverstärkers 12 im Zeitpunkt t, mit Sicherheit den stationären Zustand erreicht hat, und dann wird mit Hilfe eines an sich bekannten Vergleichers 34, z.B. ein Differentialverstärker mit nachgeschalteter Auslösestufe, geprüft, ob das Ausgangssignal über oder unter einem Bezugswert, z.B. Massepotential, liegt, und der Vergleicher gibt ein EINS-Polaritätssignal ab, wenn die integrierte Eingangsspannung positiv war, und ein NULL-Signal, wenn, die Spannung negativ war. Das Polaritäts-Ausgangssignal wird durch ein NICHT-Glied 36 invertiert (negiert).

An die Verzögerungszeit .T_D1 schließen sich die Verzögerungszeiten Tq₂ und Tj₃^ zweier weiterer Verzögerungsglieder Dg und D,, die dem Verzögerungsglied D₁ nachgeschaltet sind, an. Diese Verzögerungszeiten können jeweils in der Größenordnung von einer MikrοSekunde und zwanzig Mikrosekunden liegen und enden im.Zeitpunkt t^ und t^ nach Fig. 2. Zwei NAND-Glieder 38 und 39 erhalten die eine MikrοSekunde dauernden EINS-Signale vom Verzögerungsglied D₂- Diesen NAND-Gliedern werden ferner Jeweils das Polaritätsausgangssignal direkt und über das NICHT-Glied 36 zugeführt. Das NAND-Glied 38 gibt ein NULL-Signal ab, wenn die Eingangsspannung positiv war, während das NAND-Glied 39 ein NULL-Signal abgibt, wenn die Eingangsspannung negativ war. Das NULL-Signal setzt ein bistabiles Polaritätskippglied, das aus NAND-Gliedern 40 und 41 aufgebaut ist, die jeweils EINS-Signale abgeben, wenn die Eingangs spannung positiv bzw. negativ war.

Bei positiver Eingangsspannung gibt das NAND-Glied 50 dann ein NULL-Signal ab, weil sowohl der Vergleicher 34 als auch das NAND-Glied 40 ein EINS-Signal abgeben. Das NAND-Glied 51 gibt dagegen ein EINS-Signal ab, da die Ausgangssignale beider Glieder 356 und 41 NULL-Signale sind. Bei negativer Eingangsspannung gibt das NAND-Glied 50 ein EINS-Signal und das NAND-Glied 51 ein NULL-Signal ab. In beiden Fällen gibt daher ein weiteres NAND-Glied 52 ein EINS-Signal ab.

V/enn die Eingangs spannung positiv war, schließt das NAND-Glied einen Schalter 42, über den einem Verstärker 12 von einen An-

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Schluß 44 eine negative Bezugsspannung zugeführt wird, wenn ein weiterer Schalter 46 geschlossen ist. Wenn die Eingangsspannung negativ war, schließt das NAND-Glied 41 einen Schalter 43ι über den dem Verstärker 12 von einem Anschluß 45 eine positive Bezugsspannung zugeführt wird, wenn der Schalter 26 wieder geschlossen ist. Der Schalter 46 wird jedoch nicht vor dem Zeitpunkt t= geschlossen, d.h. vor dem Ablauf der Verzögerungszeit Tjyz des Verzögerungsgliedes D*, wenn ein bistabiles Kippglied 48 gesetzt ist. Diese zusätzliche Verzögerungszeit ist so bemssen, daß währenddessen die Polarität bestimmt und die erforderliche Polarität der Bezugsspannung gewählt werden kann.

Der Zeitpunkt te stellt den Beginn der zweiten Zeitspanne dar; während der die ausgewählte Bezugsspannung das Integratorausgangssignal auf den Ausgangswert zurückbringt. Währenddessen werden erneut Taktimpulse gezählt, weil das Ausgangssignal des Kippgliedes 48 nicht nur den Schalter 46 schließt, sondern auch das UND-Glied 26 über das ODER-Glied' 48 durchschaltet. .

Das.Ende der zweiten Zeitspanne ist dadurch bestimmt, daß das Integratorausgangssignal im Zeitpunkt tg (Fig. 2) durch den Ausgangswert bzw. den Bezugswert geht. In diesem Augenblick wechselt der binäre Wert des Polaritätsausgangssignals des Vergleichers, so daß die NAND-Glieder 50 und 51 beide EINS-Signale ab- | geben. Dementsprechend erhält das weitere NAND-Glied 52 zwei EINS-Eingangssignale, so daß es ein NULL-Signal abgibt und das Kippglied 48 zurücksetzt. Das Zählen der Taktimpulse wird unterbrochen, so daß der Zählerstand des Zählers den Betrag der Eingangsspannung darstellt. Dieser Zählerstand wird durch herkömmliche Mittel auf einer Anzeigevorrichtung 54, z.B. mit Glimmentladungsröhren, dargestellt, und dann wird der Zähler 32 in an sich bekannter Weise zur nächsten Messung zurückgestellt. Die Polarität der Eingangsspannung wird in an sich bekannter Weise durch eine Polaritätsanzeigevorrichtung 56 angezeigt, die auf das Ausgangssignal des NICHT-Gliedes 40 anspricht. Die Anzeigevorrichtung 56 kann ein Minuszeichen beleuchten, wenn das NICHT-Glied 40 ein NULL-Signal abgibt. Wenn die Anzahl der zur

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Bestimmung der ersten Zeitspanne gezählten Impulse nicht so
groß ist, daß der Zählerstand im Zeitpunkt t₂ Null ist, kann
der Zähler durch den Ausgangsimpuls des Verzögerungsgliedes D₂
auf Null zurückgestellt werden.

Bei den Verzögerungsgliedern D-, D₂ und D, kann es sich um monostabile Kippglieder handeln, doch können die Verzögerungszeiten auch auf rein digitale Weise aus den Taktimpulsen abgeleitet
werden, wobei zur Ausbildung der betreffenden Verzögerungszeit
jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Taktimpulsen gezählt wird.

Die Erfindung kann auch angewendet werden, wenn die Taktimpulse in an sich bekannter Weise während der zweiten Zeitspanne auf
verschiedene Arten gezählt werden, die von der Polarität der
Eingangs spannung abhängen, z.B. zum Linearisieren der Kennlinie von Umformern. Dann muß man die Polarität der Eingangs spannung
vor Beginn der zweiten Zeitspanne kennen, um die Zählart entsprechend zu wählen. Die Erfindung ermöglicht dies, und die Verzögerungszeit zwischen der Polaritätsbestimmung im Zeitpunkt t·* und.dem Beginn t= der zweiten Zeitspanne kann im erforderlichen Maße durch Vergrößern der Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes D* verringert werden.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   3ssssssss=:=rcss

   LAnalog/Digital-Umsetzer mit einer Integrierschaltung und einer Vorrichtung, die bewirkt, daß die Integrierschaltung ein analoges Eingangssignal während einer ersten Zeitspanne integriert, deren Ende durch einen Zähler signalisiert wird, der währenddessen Taktimpulse zählt, mit einer Vorrichtung, die der Integrierschaltung während einer zweiten Zeitspanne ein dem Eingangssignal entgegengesetztes Bezugssignal zuführt, um das ■ Ausgangssignal der Integrierschaltung auf einen vorbestimmten Wert zurückzubringen, und die so ausgebildet ist, daß sie den Zähler veranlaßt, während der zweiten Zeitspanne eine Anzahl

   . von Taktimpulsen zu zählen, die ein digitales Maß für das Eingangssignal ist,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzer eine Verzögerungsvorrichtung (D₁,D,) enthält, die auf den Zähler (32) am Ende der ersten Zeitspanne anspricht und den Beginn der zwe'iten Zeitspanne verzögert, und daß die

   ''das Bezugssignal zuführende Vorrichtung (48,46) durch die Verzögerungsvorrichtung derart steuerbar ist, daß sie das Bezugssignal am Ende der Verzögerungszeit zuführt.
2. 2. Analog/Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 mit einem Vergleicher zum Bestimmen der Polarität des Ausgangssignals der Integrierschaltung und mit einer Vorrichtung, die auf das Ausgangssignal' des Vergleichers anspricht und ein Signal speichert, das die ermittelte Polarität anzeigt, und die ein positives oder negatives Bezugssignal in Abhängigkeit von der ermittelten Polarität auswählt, das das Ausgangssignal der Integrierschaltung während der zweiten Zeitspanne auf den vorgegebenen Wert zurückbringt,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsvorrichtung (D^ ,^»V*) so ausgebildet und " ausgelegt ist, daß sie die Speichervorrichtung (38-41) nach einer ersten Verzögerungszeit (^tj)i^+td2^ ³^¹ E*¹^ ^der ersten Zeitspanne auf das Ausgangssignal des Vergleichers (34) ansprechen läßt und das ausgewählte Bezugssignal der Integrierschaltung (12,14) nach Ablauf einer weiteren Verzögerungszeit (Td-i+Tt«) zuführt.

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   Leersei'te