DE2201318A1

DE2201318A1 - Analog-Digital-Wandler

Info

Publication number: DE2201318A1
Application number: DE19722201318
Authority: DE
Inventors: Loshbough Richard Charles
Original assignee: Reliance Electric Co
Current assignee: Reliance Electric Co
Priority date: 1971-02-26
Filing date: 1972-01-12
Publication date: 1972-09-07
Also published as: FR2126399A1; CH539981A; GB1367699A; BR7201047D0; AR197868A1; CA990857A; NL7202132A; IT948603B; BE779738A; JPS5143935B1

Description

Ma 2004

RELIANCE ELECTRIC COMPANY, Cleveland, Ohio / USA

Analog-Digital-Wandler

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler zur Umformung eines Eingangs-Analogsignales in einen digitalen Ausgang, der repräsentativ für die Größe des Eingangssignales ist. Die Erfindung betrifft ferner Meßsysteme, wie Waagen mit Lastzellen, in denen analoge Gewicht ssignale in Digitalform umgewandelt werden.

Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf einen integrierenden Analog-Digital-Wandler, wie er in der US-Patentschrift 3 316 5*17 beschrieben ist, ferner auf die Kombination eines solchen Wandlers mit einem auf einen Zustand ansprechenden Wandlerelement. Der Wandler bildet das Integral· eines unbekannten Analogsignales über eine bestimmte Zeitdauer und formt das Zeitintegral des Signales in Digitalform um, so daß die Anzeige durch eine Digital-Anzeigeeinrichtung erfolgt. Die visuelle Anzeige wird mit Hilfe eines von Hand einstellbaren Knopfes auf Null eingestellt. Nun kann jedoch bisher (bei der bekannten Ausführung) bei der Nulleinstellung die Anzeige in der niedrigstwertigen Stelle der Digitalanzeige gerade an der Grenze der Änderung auf +1 oder -1 sein. Es kann also ein kleines Analogsignal tatsächlich vorhanden sein, obwohl die Anzeigeeinrichtung Null anzeigt.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Empfindlichkeit im Bereich um Null herum vergrößert wird. So wird beispielsweise eine Erhöhung der Empfindlichkeit im Verhältnis 5 zu 1 dadurch erreicht, daß die Zeit-

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dauer, über die das Analogsignal integriert wird, um den Paktor fünf vergrößert wird. Es sei beispielsweise angenommen, daß bei dem bekannten Wandler die Anzeige auf O steht, jedoch sich gerade an der Grenze einer Änderung auf +1 befindet:

BEKANNTE EINRICHTUNG + 1 O -1

ANMELDUNGSGEGENSTAND +5+4+3+2+1 O -1-2-3-4-5

Bei der Nulleinstellung des erfindungsgemäßen Wandlers wird die normalerweise zur Integration des Analogsignales verwendete Zeitdauer mit einem gewissen Paktor (etwa fünf) multipliziert. Die Anzeige steht dann im angenommenen Fall auf + 4, da vor Erhöhung der Empfindlichkeit im Bereich um Null die Anzeigeeinrichtung kurz vor der Umschaltung auf +1 stand. Aufgrund dieser Anzeige ( + <4) wird dann der Einstellknopf so lange betätigt, bis die Anzeige (bei erhöhter Empfindlichkeit) auf Null steht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung in einem Blockschaltbild veranschaulicht. Die Zeichnung zeigt ein Meßsystem mit einer Lastzelle und einem integrierenden Analog-Digital-Wandler sowie mit den erfindungsgemäßen Einrichtungen zur Nulleinstellung.

Der in der Zeichnung dargestellte integrierende Analog-Digital-Wandler entspricht der in der US-Patentschrift 3 316 5^7 beschriebenen Bauart. Er enthält einen Impulsgenerator 11 und einen Impulszähler 12, der einen Digitalausgang erzeugt, welcher repräsentativ für die Zahl der vom Impulsgenerator 11 über ein UND-Tor 13 dem Eingang des Impulszählers 12 zugeführten Impulse ist. Der Zähler 12

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weist einen Vollbereichsausgang 10 auf (der bei einem Zählwert von 100 000 betätigt wird) sowie einen Rückstelleingang Ik-. Der Zähler 12 enthält fünf in Reihe geschaltete Dekadenzähler, so daß er bis 99 999 zählen kann (so daß sich bei 100 000 ein Vollbereichsausgang ergibt); weiterhin ist ein Ausgang 40 vorgesehen, der bei einem Zählwert von 20 000 betätigt wird. Zwischen Kontak-•ten M2 und H3 ist ein Schalter 4l umschaltbar, der den Ausgang 40 oder den Ausgang 10 mit einem Programmgeber 25 verbindet. Der Betrieb des Analog-Digital-Wandlers mit dem auf den Kontakt 42 eingestellten Umschalter ¹Jl (wie in der Zeichnung veranschaulicht) ist der Normalbetrieb; er entspricht im wesentlichen der Punktion des in der US-Patentschrift 3 316 5^7 beschriebenen Analog-Digital-Wandler s.

Die Übertragung der Impulse vom Impulsgenerator 11 zum Zähler 12 wird in Abhängigkeit vom integrierten Ausgang eines Integrationskreises gesteuert, der einen Operationsverstärker 15 enthält, zwischen dessen Ausgang und dessen invertierendem Eingang ein Rückkopplungskondensator 16 angeordnet ist; ein Widerstand 17 liegt in Reihe zum invertierenden Eingang. Um eine Steuerung über das Integrationszeitintervall zu bewirken, ist der Integrationskreis mit einem Schalter 18 versehen, der parallel zum Kondensator 16 liegt. Ist der.Schalter 18 geschlossen (wie dargestellt), so ist der Kondensator kurzgeschlossen und der Integrationskreis dadurch entaktiviert, so daß selbst bei Zuführung eines Eingangssignales kein Ausgangssignal erzeugt wird. Bei geöffnetem Schalter 18 tritt der Kondensator 16 dagegen in Punktionszusammenhang mit dem Operationsverstärker 15; der auf diese Weise aktivierte Integrationskreis erzeugt ein Ausgangssignal entsprechend dem Zeitintegral eines zugeführten Eingangssignales.

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Die Impulsübertragung vom Impulsgenerator 11 zum Zähler 12 wird eingeleitet, wenn der integrierte Ausgang des Integrationskreises einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Die Impulsübertragung wird so lange aufrechterhalten, wie der integrierte Ausgang in einer bestimmten Richtung vom Schwellwert abweicht. Die Impulsübertragung wird beendet, wenn der integrierte Ausgang seine Richtung umkehrt und diesen Schwellwert durchschreitet; eine Rückkehr des integrierten Ausgangssignales zum Schwellwert wird durch Zuführung eines zweiten Signales (Bezugssignales) zum Eingang des Integrationskreises mit einer Polarität entgegengesetzt zu der des ersten Eingangssignales bewirkt.

Ein an den Ausgang des integrierenden Operationsverstärkers 15 angeschlossenes Pegelvergleichsglied 19 erzeugt einen Ausgangsgateimpuls, der eingeleitet wird, wenn das Ausgangssignal des Integrationskreises in einer bestimmten Richtung einen vorgegebenen Schwellwert durchläuft; dieser Ausgangsgateimpuls hälft so lange an, bis das integrierte Ausgangssignal den Schwellwertpegel in entgegengesetzter Richtung passiert. Der Ausgang des Vergleichsgliedes 19 ist mit einem Eingang des UND-Tores 13 verbunden. Das UND-Tor 13 öffnet bei einem Gate-Impuls des Vergleichsgliedes 19 und gestattet damit eine Impulsübertragung vom Impulsgenerator 11 zum Zähler 12 für die Dauer dieses Gate-Impulses. Bei Fehlen eines Gate-Impulses vom Vergleichsglied 19 ist das UND-Tor 13 gesperrt, so daß die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators 11 nicht zum Zähler 12 gelangen können.

Ein erstes Signal von unbekanntem Wert wird dem integrierenden Operationsverstärker 15 zugeführt; hierauf folgt die Zuführung eines zweiten bekannten Signales entgegengesetzter Polarität im Zeitpunkt, in dem der Zähler 12 einen Vollbereichszählwert registriert. Das erste Signal wird durch

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eine Lastzelle 20 erzeugt und über eine Schaltung 44 zur Signalbeeinflussung zugeführt. Das zweite Signal wird durch eine Bezugssignalquelle 21 erzeugt. Die Lastzelle ist ein Beispiel eines Wandlers zur Erzeugung eines zustandsentsprechenden Analogsignales; das Analogsignal ist also proportional einer auf die Lastzelle 20 wirkenden Kraft.

Zu diesem Zweck ist ein Umschalter 22 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 15 verbunden. Der Schalter 22 besitzt Kontakte 23, 24, die mit entgegengesetzt gepolten Anschlüssen der Schaltung 44 und der Bezugssignalquelle 21 verbunden sind. Die anderen Anschlüsse der Schaltung 44 und der. Bezugssignalquelle sind gemeinsam an Masse angeschlossen. In einer Stellung des Umschalters 22 ist der Kontakt 23 mit dem invertierenden Eingang des integrierenden Verstärkers 15 verbunden und führt dadurch das Signal von der Lastzelle 20 zu; in der anderen Stellung des Umschalters 22 ist der Kontakt 24 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 15 angeschlossen, so daß diesem Verstärker das Signal der Bezugssignalquelle 21 (mit einer Polarität entgegengesetzt zu der des Lastzellensignales) zugeführt wird. Die Umschalter 18 und 22 werden durch den Programmgeber 25 gesteuert, dessen Eingang über den Umschalter 4l mit dem Vollbereichsausgang 10 oder mit dem Ausgang 40 des Impulszählers verbunden ist, während ein Ausgang an den Rückstelleingang 14 des Zählers 12 angeschlossen ist.

Die Normalfunktion des Wandlers ist so, wie in der US-Patentschrift 3 316 547 beschrieben. Das unbekannte Analogsignal und das bekannte Bezugssignal werden abwechselnd über den Umschalter 22 an den invertierenden Eingang des integrierenden Operationsverstärkers 15 gelegt. Das unbekannte Signal wird während einer bekannten"

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Zeitperiode integriert; das bekannte Signal entlädt dann den Kondensator 16 bis die Ladung auf dem Kondensator 16 auf den ursprünglichen Schwellwert zurückkehrt, was durch das Vergleichsglied 19 festgestellt wird. Der Impulsgenerator 11 führt Impulse dem Zähler 12 über das UND-Tor 13 zu, das durch das Vergleichsglied 19 erregt (vorbereitet) und entregt wird, so daß zum Zähler 12 nur dann Impulse übertragen werden können, wenn das unbekannte Signal und das bekannte Signal integriert werden. Der Schalter 18 ist entweder geöffnet, so daß der Kondensator 16 eines der Eingangssignale integrieren kann, oder er ist geschlossen, womit der Integrator kurzgeschlossen ist. Das unbekannte Signal wird zunächst während des bekannten Zeitintervalles integriert, das erforderlich ist, um den Zähler 12 bis auf den Zählwert 20 000 zu bringen (Signal am Ausgang 40). Der Zähler 12 wird dann durch den Programmgeber 25 zurückgestellt, und das bekannte Signal wird integriert, bis das Vergleichsglied 19 feststellt, daß die Ladung auf den Schwellwert zurückgegangen ist. Der vom Zähler 12 registrierte Digitalausgang ist zu diesem Zeitpunkt repräsentativ für die auf die Lastzelle 20 wirkende Kraft; die Lastzelle erzeugt also ein Analogsignal proportional der auf die Lastzelle wirkenden Kraft und der Wandler formt dieses Analogsignal in Digitalform um.

Das Analog-Ausgangssignal der Lastzelle 20 steht im allgemeinen in einer nicht linearen Abhängigkeit von der wirkenden Last. Ändert sich die Lastzellen-Ausgangsspannung nicht linear bei einer Änderung der wirkenden Last, so ist eine Abweichung in positiver oder negativer Richtung von einem linearen Verhalten möglich. Zwischen Ausgang und Eingang des integrierenden Operationsverstärkers 15 sind Rückkopplungselemente vorgesehen, um die Nichtlinearität des Wandlers praktisch zu kompensieren. Zu diesen Rückkopplungselementen gehört eine einstellbare Impedanz zwischen

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dem Ausgang und dem Eingang des integrierenden Operationsverstärkers 15 zur Rückführung eines Teiles des Verstärker-Ausgangssignales zum Verstärkereingang. Als Impedanz ist ein veränderlicher Widerstand 26 vorgesehen, der zwischen den Ausgang des Verstärkers 15 und einen Schalter 27 geschaltet ist, der zwischen Kontakten 28, 29 und 30 umschaltbar ist. Der Kontakt 28 ist an dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 15 angeschlossen, der Kontakt 29 an den invertierenden Eingang, der Kontakt 30 ist ein Leerkontakt. Ein Widerstand 31 liegt zwischen dem nicht invertierenden Verstärkereingang und Masse.

Im Betrieb wird der Schalter 27 auf den Leerkontakt gestellt; durch Versuch wird dann bestimmt, ob die Ausgangsspannung der Lastzelle 20 linear oder nicht linear (positiv oder negativ) ist, indem Prüfgewichte auf die Lastzelle aufgesetzt werden. Zur Korrektur einer positiven Abweichung von einem linearen Verhalten wird der Schalter 27 auf den Kontakt 28 (wie dargestellt) eingestellt..Zur Korrektur einer negativen Abweichung von einer linearen Kennlinie wird der Schalter 27 auf den Kontakt 29 eingestellt. Der einstellbare Widerstand 26 besitzt einen Wert, der zwischen dem 30- und dem 50-fachen des Wertes der gleich großen Widerstände 17 und 3I liegt; dadurch ergibt sich ein etwa 3>?-iger Einstellbereich. Nachdem also der Schalter 27 auf positive oder negative Rückkopplung eingestellt ist, ermöglicht das Größenverhältnis des Widerstandes 26 zum Widerstand. 17 bzw. das Größenverhältnis des Widerstandes 26 zum Widerstand 31 eine Rückführung von 0 bis 3$ der jeweiligen Ausgangsspannung des integrierenden Operationsverstärkers 15 zum invertierenden Verstärkereingang (bei Stellung des Schalters 27 auf dem Kontakt 29) oder zum nicht invertierenden Verstärkereingang (bei geschlossenem Kontakt 28); die Einstellung innerhalb dieses Bereiches von 0 bis J>% erfolgt durch entsprechendeJEinstellung des Widerstandes 26.

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Die Einstellung des Widerstandes 26 wird durch entsprechende Versuche vorgenommen, wobei Prüfgewichte auf die Lastzelle 20 wirken; die Einstellung wird so vorgenommen, daß bei Änderungen der wirkenden Last etwa lineare Änderungen des Digital-Ausganges erfolgen, bis also beispielsweise bei einer Waage mit einer Kapazität von 5 000 kg ein 2 500 kg-Prüfgewicht auf der Lastschale einen Digital-Ausgang von 2 500 kg und ein 5 000 kg-Prüfgewicht auf der Lastschale einen Digital-Ausgang von 5 000 kg erzeugt.

Die Schaltung 44 enthält einen Verstärker für das Signal der Lastzelle. Die Nulleinstellung wird durch eine NuIlabgleichsschaltung 45 mit einem manuell einstellbaren Knopf 46 bewirkt. Befindet sich keine Last auf der Lastzelle, so geschieht die Nulleinstellung durch Betätigung des Knopfes 46, derart, daß der Digital-Ausgang des Zählers 12 in diesem Falle gleich Null ist.

Im Normalbetrieb (Schalter 4l auf Kontakt 42) kann die mit Hilfe des Knopfes 46 erfolgte Nulleinstellung ungenau sein, da der Digital-Ausgang auf Null stehen kann, obwohl ein kleines Lastzellensignal vorhanden ist; die Anzeige kann also gerade im Bereich des Überganges auf +1 oder -1 in der niedrigsten Stelle sein. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Empfindlichkeit im Bereich um Null herum vergrößert wird. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit im Verhältnis 5 zu 1 erfolgt durch Umschaltung des Schalters 41 auf den Kontakt 43. Wie oben erwähnt, wird in der normalen Betriebsweise (Schalter 4l auf Kontakt 42) das unbekannte Lastzellensignal während der bekannten Zeitdauer integriert, so daß der Zähler 12 bis auf Zählwert 20 000 gebracht wird. Bei der Nulleinstellungs-Betriebsweise (Schalter 4l auf Kontakt 43) wird das unbekannte Lastzellensignal während einer längeren bekannten Zeitdauer integriert, so daß der Zähler 12 bis auf den Zählwert 100 000 (99 999 + 1) gebracht wird. Eine Vergrößerung

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der Integrationszeit um den Paktor fünf erhöht die Länge der ersten Flanke in der Dualflankenintegration um den Paktor fünf und vergrößert damit die Länge der Zeitdauer des ganzen Auswertezyklus um den Faktor fünf. Das bekannte Signal wird integriert, bis das Vergleichsglied 19 feststellt, daß die Ladung des Kondensators 16 auf den Schwellwert zurückgekehrt ist. Besteht daher eine Abweichung des Lastzellensignales von Null in der Nulleinstellungs-Betriebsweise, so stellt der vom Zähler in diesem Zeitpunkt registrierte Digitalausgang die fünffache Abweichung des Lastzellensignales von Null dar; eine 100 kg-Abweichung des Lastzellensignales wird somit als 500 kg Digital-Ausgang des Zählers registriert. Die Nulleinstellungs-Betriebsweise wird nur angewandt, wenn das Lastzellensignal auf Null eingestellt wird.

Im Betrieb wird der Schalter auf den Kontakt 43 gestellt, wobei sich keine Last auf der Lastzelle 20 befindet; hierdurch wird die Empfindlichkeit im Bereich um Null vergrößert. Dann wird der Knopf 46 betätigt, bis der Digitalausgang des Zählers auf Null steht. Auf diese Weise erfolgt eine genaue Nulleinstellung der Digital-Anzeigeeinrichtung. War die Anzeige Null, ehe der Schalter 41 auf den Kontakt 43 gestellt wurde und befand sich die Anzeige gerade an der Grenze einer Änderung in der niedrigsten Stelle, so bewirkt eine Umschaltung des Schalters 41 auf den Kontakt 43 eine Änderung der Anzeige gegenüber Null, was bedeutet, daß noch ein kleines Lastzellensignal erzeugt wird. Durch eine entsprechende Drehung des Knopfes 46 wird dann der Digital-Ausgang auf Null gestellt, wobei das kleine Lastzellensignal in der Schaltung 44 kompensiert wird. Ist dann die Anzeige Null vorhanden, so wird der Schalter 4l für die normale Betriebsweise zurück auf den Kontakt 42 gestellt.

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- ίο -

Der Wandler integriert somit das unbekannte Lastzellensignal über eine gegebene Zeitdauer und formt das Zeitintegral des Signales in eine Digital-Darstellung um. Der Wandler enthält den Impulszähler 12 mit den Ausgängen 10 und 40 entsprechend zwei vorgewählten Zählwerten (100 000 bzw. 20 000 Impulse), was - je nach Einstellung durch den Schalter 41 - verhältnismäßig lange und kurze Zeitperioden bestimmt. Am Ende der vorgegebenen Zeitdauer wird der Zähler 12 zurückgestellt (Eingang 14) und akkumuliert dann additiv Impulse, die repräsentativ für die auf die Lastzelle 20 wirkende Kraft sind.

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Claims

Patentansprüche

Analog-Digital-Wandler zur Umformung eines Eingangs-Analogsignales in einen Digital-Ausgang, der repräsentativ für die Größe des Eingangssignales ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Normalbetriebsweise und eine Nulleinstellbetriebsweise aufweist, von denen die eine oder die andere durch eine Einrichtung (¹Il) wählbar ist, und daß eine in der Nulleinstellbetriebsweise wirksame Nulleinstelleinrichtung (45) vorhanden ist, die den Digital-Ausgang genau auf Null einstellt..
2.) Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine manuell betätigbare Einrichtung (41) zur Vergrößerung der Zeitdauer der Auswertungsperiode in der Nulleinstellbetriebsweise vorgesehen ist
3.) Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandlerelement (20) zur Erzeugung eines zustandsentsprechenden Analogsignales vorgesehen ist, wobei eine Einrichtung (4l) vorhanden ist, die die Empfindlichkeit des Wandlers (15, 16, 19, 12) im Bereich der Nulleinstellung vergrößert.
4.) Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (12, 15, 16, 19) vorgesehen ist, die das Integral eines unbekannten Analogsignales über eine bestimmte Zeitdauer bildet und das Zeitintegral des Signales in Digitalform bringt, enthaltend einen Impulszähler (12) mit zwei Ausgängen (40, 10) entsprechend zwei vorgewählten Zählwerten, die eine relativ kurze und eine relativ lange Zeitdauer definieren.

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5.) Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine manuell betätigbare Einrichtung (41) zur wahlweisen Einstellung auf den einen oder den anderen Ausgang (40, 10) vorhanden ist.
6.) Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Impulszähler (12) am Ende der bestimmten Zeitdauer zurückgestellt wird und dann zur Digitalanzeige additiv wirkt.

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