DE2932371C2 - Analog-Digital-Konverter mit einem Komparator zur Verarbeitung bipolarer Eingangsspannungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Konverter mit einem Komparator zur Verarbeitung bipolarer Eingangsspannungen unter Hinzufügung einer unipolaren Zusatzspannung eines Wertes, der die Gesamtspannung für jede vorkommende Eingangsspannung unipolar macht. Ein derartiger Konverter ist in der DE-OS 20 33 510 im den Stand der Technik abhandelnden Teil der Einleitung beschrieben.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen integrierenden Analog-Digital-Konverter, wie beispielsweise einen Dual-Slope-Konverter, unter Wahrung des bekannten Prinzips der Überlagerung einer bipolaren Meßspannung mit einer diese überwiegenden unipolaren Zusatzspannung so auszustatten, daß neben der Meßspannungsumwandlung der Fehlerermittlung dienende Referenzumwandlungen ausführbar sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst

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

Aus den drei willkürlich aufeinanderfolgenden, je eine Auf- und eine Abintegration einschließenden Umwandlungen a, b, c kann dann mit Hilfe eines Mikroprozessors mindestens einer der unbekannten Fehler errechnet und mit dem Ergebnis der Umwandlung d verrechnet werden.

Es ist auch möglich, mit Hilfe des Mikroprozessors die digitalen Ergebnisse der Umwandlungen a bis d in eine aus einem diesen Umwandlungen entsprechenden Gleichungssystem gewonnene Umwandlungsgleichung für die analoge Meßspannung einzusetzen und den Digitalwert der Meßspannung aus dieser Gleichung zu errechne:^

Zweckmäßig werden die Aufintegrationszeiten der Umwandlungen a, b, c untereinander gleich gemacht

Ein besonderer Vorteil wird erzielt, wenn auch die Aufintegrationszeit der Umwandlung d mit den übrigen Aufintegrationszeiten 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 /sind über einen Kondensator Cmiteinander verbunden. Am Eingang des Integrators / liegen zwei über Widerstände R bzw. /7'parallelgeschaltete Ausgänge zweier Vorverstärker Vi bzw. Vi'. Eine Eingangsklemme f des Vorverstärkers V₁' ist über drei parallelgeschaltete Schalter Si, Sb, S₇ wahlweise mit Masse oder mit zwei Klemmen verbindbar, an denen eine negative Referenzspannung Un bzw. eine positive Referenzspannung «/»liegt.

Eine Eingangsklemme E des Vorverstärkers Vi ist über vier parallelliegende Schalter S\ bis 54 wahlweise mit Masse bzw. mit Klemmen verbindbar, an denen eine analoge Meßspannung us bzw. die negative Referenzspannung Un bzw. die positive Referenzspannung up liegt. Die Eingangsspannungen der Vorverstärker Vi und Vi' sind mit ebzw. e' bezeichnet Der Ausgang des Integrators / liegt am Eingang eines Komparators V₇, dessen Ausgangsspannung u an einer Ausgangsklemme A abnehmbar ist

An der Schaltung der F i g. 1 läßt sich für eine vollständige Auf- und Abintegration folgende Grundgleichung ableiten:

(e,

b)t₂ = q

(1)

Hierbei ist q ein Maß für die Differenz der Spannungen u an der Ausgangsklemme A des Verstärkers Vi 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 S\ und Ss reproduzierbar gemacht Die Ansprechspannung des !Comparators 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 !Comparators nähern kann, und wegen der immer gleichen Steilheit der Rückintegrationsspannung konstant. Deshalb kann auch die Lage des Kippunktes als konstant angenommen werden. Mit ei und ei' bzw. C2 und ei sind die Spannungen an den Eingängen £bzw. E' während der Aufintegration (Index 1) bzw. der Abintegration (Index 2) bezeichnet Die Aufintegration geschieht während der Zeit fi, die Abintegration während der Zeit fe- Der Faktor k ist ein Maß für die Unsymmetrie zwischen den Vorverstärkern Vi und Vi' und schließt sowohl die unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren dieser Verstärker als auch Größenunterschiede der Widerstände R und R' em. Mit b schließlich werden die mit den Verstärkungsfaktoren und den Unsymmetriefaktoren bewerteten Offsetspannungen der Verstärker Vn Vi' und V₂ sowie des Integrators /ausgedrückt. Die Gleichung (1) enthält also drei Störgrößen oder Fehler k, t und q, zu deren Eliminierung daher drei Gleichungen, das bedeutet drei Korrekturumwandlungen, erforderlich sind. Prinzipiell können für die Korrekturumwandlungen erforderliche Aufintegrationszei»en fi, /3 und fs unterschiedlich und beliebig gewählt werden. Die Korrekiurumwandlungen 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 /1, G und is gleich groß zu wählen. Dies kann durch Ableiten der Zeiten von einer internen Taktimpulsfolge geschehen. Die Aufintegration der analogen Meßspannuiig us sollte dagegen während einer mit der Netzperiode synchronen Zeit tj geschehen. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich das folgende Gleichungssystem:

[Mp(I + Ar) + &] f, + [-HAr(I + k) + b\t₂ = q (2)

[UpA: + &] f, + [-«„(1 + k) + b] U = q (3)

[u_P + b] /, + l-u_N(l + k) + b]t₆ = q (4)

[u_s + upk + b] f₇ + [~u_N(l + Ar) + b] i₈ = q (5)

Durch Vergleich mit der Grundgleichung (1) ist leicht zu erkennen, wann und wo die positive Referenzspannung up oder die negative Referenzspannung — u/vbzw. eine Spannung von 0 Volt durch Schließen der entsprechenden Schalter Si bis Si angelegt wird. Die Auflösung des Gleichungssystems nach der analogen Meßspannung usergibt dann:

'7 h - u

h -

(i-O(-^ir⁺¹)

(6)

Es versteht sich, daß die von den Gleichungen (2), (3) und (4) repräsentierten Korrekturumwandlungen nicht bei jedem Umwandlungsvorgang einer analogen Meßspannung durchgeführt werden müssen, sondern 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 Korrekturumwandlungen 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 Meßspannung mit einem minimalen Rechenaufwand erhalten werden kann.

Die Gleichung (6) läßt sich sehr vereinfachen, wenn die Aufintegrationszeit f_t für die Korrekturumwandlungen gleich der Aufintegrationszeit f? für die analoge Meßspannung gemacht wird. Dazu kann zunächrt mit der Umwandlung der analogen Meßspannung us nach der Gleichung (5) begonnen werden. Die dazu erforderliche Aufintegrationszeit I₇ ist auf einfache Weise, z. B. durch Auszählen einer oder mehrerer Netzperioden, mit dem Netz synchronisierbar. Diese Zeit fr kann in einem Zähler gemessen, gespeichert und zur Erzeugung der Aufintegrationszeit f, für die Korrekturumwandlungen herangezogen werden. Die Gleichung (6) verkürzt sich dann auf

u_s = Up

(7)

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

so Abintegrationszeit ie nicht mehr auf. Das bedeutet, daß die der Gleichung (4) entsprechende Korrekturumwandlung überflüssig wird. Außerdem ist auch die negative Referenzspannung u/v 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 Referenzspannung läßt sich daher auch auf eine einfache Weise, z. B. mittels eines Operationsverstärkers, aus der positiven Referenzspannung ableiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Analog-Digital-Konverter mit einem Komparator zur Verarbeitung bipolarer Eingangsspannungen unter Hinzufügung einer unipolaren Zusatzspannung eines Wertes, der die Gesamtspannung für jede vorkommende Eingangsspannung unipolar macht, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Eingang des Integrators (I) eines integrierenden Analog-DigitaJ-Konverters über Widerstände (R, R') parallelgeschaltete Ausgänge eines ersten und zweiten Vorverstärkers (V,, Vl') angeschlossen sind und der Eingang des ersten Vorverstärkers (Vi') über drei parallelgeschaltete Schalter (S₅, S₆, S₇) ^ wahlweise mit Masse, mit einer positiven und mit einer negativen Referenzspannung (up, —<jn) verbindbar und der Eingang des anderen Vorverstärkers (V₁) über vier parallelgeschaltete Schalter (Si, S?, S₃, &) wahlweise mit Masse, mit der positiven und der negativen Referenzspannung (up, — un) und mit einer analogen Meßspannung (u_s) verbindbar ist und daß zur Ermittlung des Umwandlungsergebnisses sowie dreier im wesentlichen die Unsymmetrie zwischen den Vorverstärkern (V₁, V₁'), die Offsetspannungen der Verstärker -(V₁, Vi', Vj) und des Integrators (I) und die Differenz der Spannungen an der Ausgangsklemme (A) des Verstärkers (V) zum Integrationsbeginn und dem Zeitpunkt, an dem der Komparator anspricht, einschließende Fehler 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 (Sa, Sj) an die Eingänge der beiden Vorverstärker (V₁, Vi') die positive Referenzspannung, bei der Umwandlung b an den Eingang des ersten Vorverstärkers (Vi') Masse und an den Eingang des zweiten Vorverstärkers (V\) die positive Referenzspannung (up), bei der Umwandlung c an den Eingang des ersten Vorverstärkers (Vi') die positive Referenzspannung (up) und an den Eingang des zweiten Vorverstärkers (Vi) Masse sowie bei der Umwandlung d an den Eingang des zweiten Vorverstärkers (V_t) die analoge Meßspannung (u_s) und an den Eingang des ersten Vorverstärkers (Vi') 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 (-u/v)gelegt ist