DE2932371A1 - Integrierender analog-digital- konverter zur verarbeitung bipolarer eingangsspannungen und betriebsverfahren fuer den analog-digital-konverter - Google Patents

Description

• Integrierender Analog-Digital-Konverter zur Verarbei-
• tung bipolarer Eingangsspannungen und Betriebsverfahren für den Analog-Digital-Konverter Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierenden Analog-Digital-Konverter zur Verarbeitung bipolarer Eingangs spannungen und ein Betriebsverfahren fUr diesen Konverter.
• Ein derartiger Konverter ist in der DE-OS 27 52 560 beschrieben. Wesentliche Bestandteile eines integrierenden Analog-Digital-Konverters sind ein Integrator und ein an dessen Ausgang angeschlossener Komparator. Der Komparator ist auf eine Vergleichsspannung eingestellt.
• Sobald die Ausgangsspannung des Integrators diese Schwelle erreicht, gibt der Komparator ein Signal ab.
• Bei bipolaren Analog-Digital-Konvertern kann die Ansprechschwelle des Komparators sowohl von oben als auch von unten erreicht werden. Der Komparator schaltet mit einer gewissen Verzögerung, die für die beiden Richtungen, aus denen die Ansprechschwelle erreicht werden kann, verschieden ist. Diese Hysterese des Komparators bezüglich seiner Ansprechverzögerung ist bei nachtraglichen Fehlerkorrekturen außerordentlich schwer zu serücksichtigen. Es besteht deshalb ein Bedarf an einem integrierenden Analog-Digital-Konverter zur Verarbeitung bipolarer Eingangsspannungen, dessen Komparators schwelle immer nur aus einer Richtung erreicht wird und der deshalb nachträglichen Fehlerkorrekturen leichter zugänglich ist.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei e.r-; gangs angeführten integrierenden Analog-Digital-Konverter dadurch gelöst, daß an einen Eingang eines integrators über Widerstände parallelgeschaltete Ausgänge eines ersten und zweiten Vorverstärkers angeschlossen sind und der Eingang des ersten Vorverstärkers über drei parallelgeschaltete Schalter wahlweise mit Masse, mit einer positiven und mit einer negativen Referenzspannung verbindbar und der Eingang des anderen Vorverstärkers über vier parallelgeschaltete Schalter wahlweise mit Masse, mit der positiven und der negativen Referenzspannung und mit einer analogen Meßspannung verbindbar ist.
• Bei dem vorgeschlagenen Konverter wird der Integrator so beeinflußt, daß er ohne Rücksicht auf die Polarität und Größe der umzuwandelnden analogen Meßspannung für einen vorgegebenen Meßbereich nur in einer Richtung aufintegriert. Dies wird dadurch erreicht, daß an dem als Summierpunkt dienenden Eingang des Integrators der analogen Meßspannung ein zweites Signal bekannter Größe zuaddiert wird, so daß die Summe aus beiden Signalen in jedem vorkommenden Fall nur eine Polarität aufweist.
• Ein Betriebsverfahren für den vorliegenden Analog-Digital-Konverter sieht vor, in vier willkürlich aufeinanderfolgenden, je eine Auf- und eine Abintegratlon ein- schließenden Umwandlungen a, b, c, d während der Aufintegration bei der Umwandlung a über die entsprechenden Schalter an die Eingänge der beiden Vorverstärker die positive Referenzspannung, bei der Umwandlung b an den Eingang des ersten Vorverstärkers Masse und an den Eingang des zweiten Vorverstärkers die positive Referenzspannung, bei der Umwandlung c an den Eingang des ersten Vorverstärkers die positive Referenzspannung und an den Eingang des zweiten Vorverstärkers Masse sowie bei der Umwandlung d an den Eingang des zweiten Vorverstärkers die analoge Meßspannung und an den Eingang des ersten Vorverstärkers die positive Referenzspannung zu legen. Während der Abintegration liegt bei allen vier Umwandlungen an dem Eingang mindestens eines der Vorverstärker die negative Referenzspannung. Der Eingang des anderen ist dabei an Masse gelegt. Mit Hilfe eines rikroprozessors kann dann mindestens einer der unbekannteii Fehler aus den Ergebnissen der Umwandlungen a, b, c errechnet und mit dem Ergebnis der Umwandlung d verrechnet werden.
• Bei einem zweiten Betriebsverfahren für den vorliegenden Konverter, das bezüglich der einzelnen Umwandlungsvorgänge mit dem ersten Verfahren völlig übereinstimmt, werden mit Hilfe eines Mikroprozessors die digitalen Ergebnisse der Umwandlungen a bis d in eine aus einem diesen Umwandlungen entsprechenden Gleichungssystem gewonnene Umwandlungsgleichung für die analoge Meßspannung eingesetzt und der Digitalwert der Meßspannung aus dieser Gleichung errechnet.
• Zweckmäßig werden die Aufintegrationszeiten der Umwandluiigen a, b, c uncereinander gleich gemacht.
• Ein besonderer Vorteil wird erzielt,. wenn auch die Aufintegrationszeit der Umwandlung d mit den übrigen Auf- integrationszeiten übereinstimmt.
• Dazu kann die Aufintegrationszeit der Umwandlung d ein ganzzahliges Vielfaches der Netzperiode sein.
• Die Erfindung wird anhand einer Figur, die ein prinzipielles Schaltbild des vorliegenden Analog-Digital-Konverters zeigt, näher erläutert.
• Der Aus- und der Eingang eines aus einem Verstärker bestehenden Integrators I sind über einen Kondensator C miteinander verbunden. Am Eingang des Integrators I liegen zwei über Widerstände R bzw. R' parallelgeschaltete Ausgänge zweier Vorverstärker V1 bzw. V1'. Eine Eingangsklemme E' des Vorverstärkers V11 ist über drei parallelgeschaltete Schalter S5, S6, S7 wahlweise mit Masse oder mit zwei Klemmen verbindbar, an denen eine negative Referenzspannung uN bzw. eine positive Referenzspannung up liegt.
• Eine Eingangsklemme E des Vorverstärkers V1 ist über vier parallelliegende Schalter S1 bis S4 wahlweise mit Nasse bzw. mit Klemmen verbindbar, an denen eine analoge Keßspannung uS bzw. die negative Referenzspannung uM bzw. die positive Referenzspannung up liegt. Die Eingangsspannungen der Vorverstärker V1 und V1' sind mit e bzw. e' bezeichnet. Der Ausgang des Integrators I liegt am Eingang eines Komparators V2, dessen Ausgangsspannung u an einer Ausgangsklemme A abnehmbar ist.
• An der Schaltung der Figur 1 läßt sich für eine vollständige Auf- und Abintegration folgende Grundgleichung ableiten: (e1 + k e11 + b) t1 + (e2 + k e2t + b) t2 = q (1) Hierbei ist q ein Maß für die Differenz der Spannungen u an der Ausgangsklemme A des Verstärkers V2 zum Integrationsbeginn und dem Zeitpunkt, an dem der Komparator anspricht. Die Spannung u zum Integrationsbeginn wird durch eine während einer Umwandlungspause angeschaltete, in der Figur nicht dargestellte Rückkopplungsschleife sowie durch Schließen der Schalter S1 und reproduzierbar gemacht. Die Ansprechspannung des Komparators wird auch von dessen Offset und von seiner Verzögerung beeinflußt. Die Verzögerung ist jedoch im Gegensatz zu Schaltungen, bei denen die Integrationsspannung sich aus beiden Richtungen der Schwellenspannung des Komparators nähern kann, und wegen der immer gleichen Steilheit der Rückintegrationsspannung konstant. Deshalb kann auch die Lage des Kippunktes als konstant angenommen werden. Mit e1 und e1 1 bzw. e2 und e21 sind die Spannungen an den Eingängen E bzw. Et während der Aufintegration (Index 1) bzw. der Abintegration (Index 2) bezeichnet. Die Aufintegration geschieht während der Zeit t1, die Abintegration während der Zeit t2. Der Faktor k ist ein Maß für die Unsymmetrie zwischen den Vorverstärkern V1 und V1 1 und schließt sowohl die unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren dieser Verstärker als auch Größenunterschiede der Widerstände R und R' ein. Mit b schließlich werden die mit den Verstärkungsfaktoren und den Unsymmetriefaktoren bewerteten Offsetspannungen der Verstärker V1, V1' und V2 sowie des Integrators I ausgedrückt. Die Gleichung (1) enthält also drei Störgrößen oder Fehler k, b und q, zu deren Eliminierung daher drei Gleichungen, das bedeutet drei Korrekturumwandlungen, erforderlich sind. Prinzipiell können für die Korrekturumwandlungen erforderiiche Aufintegrationszeiten t1 t und t5 unterschiedlich und beliebig gewählt werden. Die Korrekturumwandlungen gehen von den internen Referenzspannungen aus.
• Deshalb brauchen die Aufintegrationszeiten nicht in einem bestimmten Verhältnis zu beispielsweise netzfrequenten Störspannungen zu stehen. Es ist deshalb zweckmäßig, die Aufintegrationszeiten t1, t3 und t5 gleich groß zu wählen. Dies kann durch Ableiten der Zeiten von einer internen Taktimpulsfolge geschehen. Die Aufintegration der analogen Meßspannung uS sollte dagegen während einer mit der Netzperiode synchronen Zeit t7 geschehen.
• Unter diesen Voraussetzungen ergIbt sich das folgende Gleichungssystem: [uP (1 + k) + b] t1 + [-uN (1 + k) + b] t2 = q (2) [uP k + b] t1 + [-uN (1 + k) + b] t4 = q (3) [uP + b] t1 + [-uN (1 + k) + b] t6 = q (4) [uS + uP k + b] t7 + [-uN (1 + k) + b] t8 = q (5) Durch Vergleich mit der Grundgleichung (1) ist leicht zu erkennen. wann und wo die positive Referenzspannung uP oder die negative Referenzspannung -uN bzw. eine Spannung von 0 Volt durch Schließen der entsprechenden Schalter S1 bis S7 angelegt wird. Die Auflösung des Gleichungssystems nach der analogen Meßspannung uS ergibt dann: Es versteht sich, daß die von den Gleichungen (2), (3) und (4) repräsentierten Korrekturumwandlungen nicht bei jedem Umwandlungsvorgang einer analogen Meßspannung durchgeföhrt werden müssen, sonder nur dann, wenn zu vermuten ist, daß sich die Störgrößen wieder wesentlich geändert haben. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, einem die Korrekturrechnung durchführenden Mikroprozessor von Anfang an die Daten aus den KorreXturumwandlungen so zuzuführen, wie sie anfallen. Dann kann der Mikroprozessor schon während den Korrekturumwandlungen geeignete Zwischengrößen ausrechnen. Damit lassen sich die Gleichungen (5) bzw. (6) so vereinfachen, daß die Neßspannung mit einem minimalen Rechenaufwand erhalten werden kann.
• Die Gleichung (6) läßt sich sehr vereinfachen, wenn die Aufintegrationszeit t1 für die Korrekturumwandlungen gleich der Aufintegrationszeit t7 für die analoge Meßspannung gemacht wird. Dazu kann zunächst mit der Umwandlung der analogen Meßspannung u5 nach der Gleichung (5) begonnen werden. Die dazu erforderliche Aufintegrationszeit t7 ist auf einfache Weise, z. B. durch Auszählen einer oder mehrerer Netzperioden, mit dem Netz synchronisierbar. Diese Zeit t7 kann in einem Zähler gemessen, gespeichert und zur Erzeugung der Aufintegrationszeit t1 für die Korrekturumwandl.ungen herangezogen werden. Die Gleichung (6) verkürzt sich dann auf US = uP t8 - t4 (7) t2 t4 Abgesehen von den großen arithmetischen Vorteilen der Gleichung (7) gegenüber der Gleichung (6) und dem damit verbundenen Gewinn an Rechenzeit und Programmvereinfachung ergeben sich noch zwei weitere Vorteile. In der Gleichung (7) tritt die Abintegrationszeit t6 nicht mehr auf. Das bedeutet, daß die der Gleichung (4) entsprechende Korrekturumwandlung überflüssig wird. Außerdem ist auch die negative Referenzspannung uN aus der Gleichung (7) verschwunden, d. h., daß diese Referenzspannung nicht mehr hochkonstant sein muß. Auch ihre absolute Größe ist nicht mehr für die Genauigkeit einer Umwandlung ausschlaggebend. Sie muß nur während eines Meßzyklus konstant sein. Diese negative Referenzspan- nung läßt sich daher auch auf eine einfache Weise, z. B.
• mittels eines Operationsverstärkers, aus der positiven Referenzspannung ableiten.

Claims (6)

1. Patentansprüche 1, Integrierender Analog-Digital-Konverter zur Verarbeitung bipolarer Eingangsspannungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an einen Eingang eines Integrators (I) über Widerstände (R, R') parallelgeschaltete Ausgänge eines ersten und zweiten Vorverstärkers (V1, V1') angeschlossen sind und der Eingang des ersten Vorverstärkers (V1') über drei parallelgeschaltete Schalter (S5, S6, S7) wahlweise mit Masse, mit einer positiven und mit einer negativen Referenzspannung (up, UN) verbindbar und der Eingang des anderen Vorverstärkers (V1) über vier parallelgeschaltete Schalter (S1, S2, S3, S4) wahlweise mit Masse, mit der positiven und der negativen Referenzspannung (up,uN) und mit einer analogen Meßspannung (us) verbindbar ist.
2. 2. Betriebsverfahren für den Analog-Digital-Konverter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß in vier willkürlich aufeinanderfolgenden, Je eine Auf- und eine Abintegration einschließenden Umwandlungen a, b, c, d während der Aufintegration bei der Umwandlung a über die entsprechenden Schalter (S4, S7) an die Eingänge der beiden Vorverstärker (V1, zu V11) die positive Referenzspannung, bei der Umwandlung b an den Eingang des ersten Vorverstärkers (Y1') Masse und an den Eingang des zweiten Vorverstärkers (V1) die positive Referenzspannung (uP), bei der Umwandlung c an den Eingang des ersten Vorverstärkers (V1') die positive Referenzspannung (up) und an den Eingang des zweiten Vorverstärkers (V1) Masse sowie bei der Umwandlung d an den Eingang des zweiten Vorverstärkers (V1) die analoge Meßspannung (us) und an den Eingang des ersten Vorverstärkers (v11) die positive Referenzspannung (uP) gelegt ist und daß während der Abintegration bei allen vier Umwandlungen an den Eingang mindestens eines der Vorverstärker die negative Referenzspannung (-UN) gelegt ist und daß mit Hilfe eines Mikroprozessors mindestens einer der unbekannten Fehler aus den Ergebnissen der Umwandlungen a, b, c errechnet und dieser Fehler mit dem Ergebnis der Umwandlung d verrechnet wird.
3. 3. Betriebsverfahren für den Analog-Digital-Konverter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß in vier willkürlich aufeinanderfolgenden, je eine Auf- und eine Abintegration einschließenden Umwandlungen a, b, c, d während der Aufintegration bei der Umwandlung a über die entsprechenden Schalter (S4, S7) an die Eingänge der beiden Vorverstärker (V1, V1') die positive Referenzspannung (up), bei der Umwandlung b an den Eingang des ersten Vorverstärkers (V1() Masse und an den Eingang des zweiten Vorverstärkers (V1) die positive Referenzspannung (up), bei der Umwandlung c an den Eingang des ersten Vorverstärkers (V1() die positive Referenzspannung (up) und an den Eingang des zweiten Vorverstärkers (v1) Masse sowie bei der Umwandlung d an den Eingang des zweiten Vorverstärkers (V1) die analoge Meßspannung (us) und an den Eingang des ersten Vorverstärkers (V1() die positive Referenzspannung (up) gelegt ist und daß während der Abintegration bei allen vier Umwandlungen an den Eingang mindestens eines der Vorverstärker die negative Referenzspannung gelegt ist und daß mit Hilfe eines Mikroprozessors die digitalen Ergebnisse der Umwandlungen a bis d in eine aus einem diesen Umwandlungen entsprechenden Gleichungssystem gewonnene Umwandlungsgleichung für die analoge Meßspannung eingesetzt und der Digitalwert der Meßspannung aus dieser Gleichung errechnet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Aufintegrationszeiten der Umwandlungen a, b, c untereinander gleich sind.
5. 5. Verfahren-nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Aufintegrationszeit (t7) der Umwandlung d mit den übrigen Aufintegrationszeiten (t1) übereinstimmt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Aufintegrationszeit (t7) der Umwandlung d ein ganzzahliges Vielfaches der Netzperiode ist.