DE1259462B - Einrichtung zur digitalen Anzeige einer analogen Eingangsspannung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

GOIr

Int. Cl,:

Deutsche Kl.: 21 e -

Nummer: 1259 462

Aktenzeichen: H 49526IX d/21 e

Anmeldetag: 22. Juni 1963

Auslegetag: 25. Januar 1968

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur digitalen Anzeige einer analogen Eingangsspannung, mit einem Zähler, der mit einem Impulsgenerator über ein Gatter verbunden ist, das die vom Impulsgenerator erzeugten Impulse während einer Öffnungsperiode zum Zähler durchläßt, und einer Schaltungsanordnung, die die Differenz zwischen der Eingangsspannung und einer vom Zählerstand abhängigen Spannung bildet.

Die Umsetzung eines analogen Eingangssignals in einen Digitalwert erfolgt gewöhnlich durch Auszählen einer Reihe von Impulsen, deren Anzahl dem analogen Eingangssignal proportional ist. Es ist in diesem Zusammenhange bekannt, eine Impulsquelle mit kon-r stanter Frequenz zu verwenden und die Zähldauer von der Amplitude des analogen Eingangssignals abhängig zu machen. Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art, die in der USA.-Patentschrift 2 872 670 beschrieben ist, werden die von einem frequenzkonstanten Oszillator erzeugten Impulse während der Meßperiode von einem Gatter zu einem Zähler durchgelassen, und es wird ein dem Zählerstand entsprechendes Analogsignal erzeugt und mit dem analogen Eingangssignal verglichen. Wenn die Amplitude des dem Zählerstand entsprechenden Signals die Amplitude des analogen Eingangssignals erreicht, wird das Gatter geschlossen.

Es ist ferner bekannt, die Frequenz eines Oszillators durch das analoge Eingangssignal zu steuern und die Ausgangsschwingungen dieses Oszillators während einer bestimmten, festen Zeitspanne zu zählen.

Bei den bekannten Einrichtungen ändern sich also entweder die Zähldauer oder die Impulswiederholungsfrequenz in Abhängigkeit vom digital anzuzeigenden Eingangssignal.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Einrichtungen besteht darin, daß man für genaue Digitalwerte entweder mit einer langen Zähldauer oder einer hohen Zählfrequenz arbeiten muß. Der Aufwand für Zähleinrichtungen, die hohe Frequenzen verarbeiten können, ist beträchtlich, und es ist außerdem auch schwierig, in einem großen Bereich des Eingangssignals die für eine genaue Anzeige erforderliche Linearität zwischen Impulsfrequenz bzw. Zähldauer und Eingangssignalamplitude zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.

Dies wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß dem frequenzveränderlichen Impulsgenerator während einer bestimmten Öffnungsperiode des Gatters eine die Impulsfolgefrequenz innerhalb eines ersten Bereichs steuernde Spannung und während

Einrichtung zur digitalen Anzeige einer
analogen Eingangsspannung

Anmelder:

Hewlett-Packard Company, Palo-Alto, Calif.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,
Patentanwälte, 8000 München, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Edward R. HoUand, Palo-Alto, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Juli 1962 (211771) -

einer auf diese Öffnungsperiode folgenden Öffnungsperiode eine die Impulsfrequenz innerhalb eines zwei- ten Bereiches steuernde Spannung von der Schaltungsanordnung zugeführt werden, die diese Spannungen als Differenz zwischen der Eingangsspannung und der vom Zählerstand abhängigen Spannung bildet, um den während einer bestimmten ersten Öffnungsperiode erreichten Zählerstand entsprechend der während der nachfolgenden zweiten Öffnungsperiode zugeführten Impulszahl zu ändern.

Vorzugsweise weist der Zähler einen die höheren Stellen umfassenden ersten Teil auf, dem die Impulse des Impulsgenerators, dessen Wiederholungsfrequenz innerhalb des ersten Bereiches veränderlich ist, während der bestimmten Öffnungsperiode zugeführt sind, das Rückkopplungssignal ist proportional dem Zählwert im ersten Teil des Zählers, und der Zähler enthält einen zweiten, die niedrigeren Stellen umfassenden Teil, dem die Impulse während einer nachfolgenden Öffnungsperiode des Gatters zugeführt sind, in der die Impulsfolgefrequenz entsprechend der Differenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Eingangssignal gesteuert ist.

Dabei sind die Grenzen des ersten und zweiten Bereiches der Impulswiederholungsfrequenz zweckmäßigerweise der Basis des Zahlensystems, nach dem der Zähler arbeitet, zugeordnet.

So Vorzugsweise ist ferner eine Schaltungsanordnung zum Rückstellen des zweiten Teiles des Zählers nach jedem Meßzyklus vorgesehen.

709 720/206

Die Erfindung wird.an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung dargestellt ist.

Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung enthält ein Summiernetzwerk 9, dessen eine Eingangsklemme über einen Eingangsabschwächer 11 mit einer EingangsklemmelS verbunden ist, der das zu messende Signal zugeführt wird. Der Ausgang des Summiernetzwerkes 9 ist über einen Empfindlichkeitsregler 15 mit einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 17 verbunden. Der Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 17 ist über ein Zeitgatter 19 und ein Gatter 21 mit einem Eingang 23 eines Digitalzählers 25 mit umkehrbarer Zählrichtung und über das Zeitgatter 19 und ein Gatter 27 mit einem Eingang 29 des Zählers 25 verbunden. Von denjenigen Stufen des Zählers 25, die den drei höchsten Stellen entsprechen, werden Ausgangssignale über Übertragsgatter 31 einem Digital-Analog-Umsetzer 33 zugeführt. Ein Eingang des Digital-Analog-Umsetzers 33 ist mit einem Spannungsnormal 35 verbunden, und der Ausgang des Umsetzers 33 ist an den anderen Eingang des Summiernetzwerkes 9 angeschlossen. Die Ausgangssignale des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 17 werden außerdem einem logischen Kreis 37 zugeführt, der über ein Zeitgatter 39 das Zeitgatter 19 steuert. Der logische Kreis 37 steuert außerdem die Gatter 21 und 27 sowie die Übertragsgatter 31, ferner den Eingangsabschwächer 11, er liefert außerdem Rückstellimpulse für den Zähler 25.

Die beschriebene Schaltungsanordnung kann auf zweierlei Weise arbeiten: wenn das Fehlersignal vom Summiernetzwerk 9 sehr groß ist, wird die Empfindlichkeit des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 17 durch den Empfindlichkeitsregler 15 herabgesetzt. Die auf diese Weise erzeugte Signalfrequenz wird über das Zeitgatter 19 und das Gatter 27 dem Zähler der dritten Stelle des reversiblen Digitalzählwerkes 25 über die Eingangsklemme 29 zugeführt. Wenn andererseits das Fehlersignal am Ausgang des Summiernetzwerkes 9 klein ist, arbeitet der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 17 mit maximaler Empfindlichkeit. Die dann erzeugte Signalfrequenz wird über das Zeitgatter 19 und das Gatter 21 dem Zähler der ersten Stelle des reversiblen Digitalzählwerkes 25 über den Eingang 23 zugeführt.

Wenn das Eingangssignal erstmalig an die Eingangsklemme 13 angelegt wird, steht kein Signal vom Digital-Analog-Umsetzer 33 zur Verfügung, das im Netzwerk 9 mit dem Eingangssignal verglichen werden kann. Das Fehlersignal ist dann sehr groß, und die Schaltungsanordnung arbeitet in der oben zuerst beschriebenen Weise. Das Zeitgatter 19 und das Gatter 27 werden durch den logischen Kreis 37 für eine bestimmte Zeit aufgetastet. Die der Eingangsklemme 29 zugeführte Signalfrequenz wird durch die Zähler der drei höchsten Stellen des reversiblen Digitalzählers 25 gezählt. Nachdem eine bestimmte Zeit verstrichen ist und die Gatter 19 und 27 gesperrt sind, werden die Übertragsgatter 31 aufgetastet und der Zählwert wird dem Digital-Analog-Umsetzer 33 zugeführt. Der Umsetzer 33 erhält außerdem eine Spannung vom Spannungsnormal 35 und liefert eine stetige Spannung an der Klemme 32, die dem zugeführten Zählwert zugeordnet ist.

Die vom Digital-Analog-Umsetzer erzeugte stetige Spannung wird zum Vergleich mit dem am Ausgang des Eingangsabschwächers 11 anliegenden Signals dem anderen Eingang des Summiernetzwerkes 9 zugeführt. Eine automatische Meßbereichseinstellung kann dadurch erfolgen, daß der logische Kreis 37 so geschaltet ist, daß er die durch den Eingangsabschwäeher 11 bewirkte Abschwächung und die Lage des Kommas im Zähler 25 steuert.

Nachdem die Schaltungsanordnung in der zuerst beschriebenen Weise gearbeitet hat, wird der vom Zähler 25 ermittelte Zählwert im Digital-Analog-Umsetzer 33 gespeichert. Die stetige Spannung an der Ausgangsklemme 32, die sich hieraus ergibt, kann in der Praxis gut innerhalb 0,2 °/o des Wertes der angelegten Spannung liegen. Das Fehlersignal am Ausgang des Summiernetzwerkes 9 wird daher sehr klein, und die Schaltungsanordnung arbeitet in der als zweites beschriebenen Weise. Die Empfindlichkeit des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 17 wird auf den Maximalwert erhöht, also beispielsweise um einen 100:1 für einen nach dem Dezimalsystem arbeitenden. Digitalzähler 25. Der logische Kreis 37 tastet das Zeitgatter 19 über die Zeitgattersteuerung 39 auf und öffnet das Gatter 21 für eine bestimmte Zeitspanne. Die Signalfrequenz am Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 17 wird dann durch das Zeitgatter 19 und das Gatter 21 dem Eingang 23 des reversiblen Digitalzählers 25 zugeführt. Am Ende der zweiten Arbeitsperiode steht im Zähler 25 dann eine fünfstellige Digitalanzeige der Signalfrequenz am Eingang 23 zur Verfügung, welche durch den mit maximaler Empfindlichkeit auf ein kleines Fehlersignal ansprechenden Spannungs-Frequenz-Wandler erzeugt wurde. Die drei höchsten Stellen können in positiver oder negativer Richtung um einen oder zwei Zählschritte durch einen Übertrag von den beiden unteren Stellen geändert werden. Der gewünschte Digitalausgang steht nun an dem reversiblen Digitalzähler 25 zur Verfügung; und die Übertragsgatter 31 werden geöffnet, wodurch die im Digital-Analog-Umsetzer 33 gespeicherte Zahl gleich den drei oberen Stellen der im Zähler 25 stehenden Zahl gemacht wird.

Am Ende des Meßzyklus werden die beiden letzten Stellen des reversiblen Zählers durch ein vom logischen Kreis 37 erzeugtes Rückstellsignal auf Null zurückgestellt. Wenn sich die am Eingang 13 liegende Spannung nicht wesentlich ändert, tritt auch im Fehlersignal am Ausgang des Netzwerkes 9 keine große Änderung auf, und der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 17 arbeitet weiter mit maximaler Empfindlichkeit. Das Zeitgatter 19 und das Gatter 21 werden dann durch den logischen Kreis 37 wieder aufgetastet, und der reversible Digitalzähler 25 zählt erneut die Signalfrequenz, die dem Eingang 23 zugeführt wird. Derjenige Teil des Meßzyklus, der die Rückstellung der beiden letzten Stellen des Zählers 25 und das erneute Zählen der dem Eingang 23 über das Zeitgatter 19 ■und das Gatter 21 zugeführte Frequenz umfaßt, wird dauernd wiederholt, so daß das am Eingang 13 anliegende Signal dauernd gemessen wird. Damit keine Verwirrung auftritt, werden in den einzelnen Stellen des Digitalzählers 25 Wiedergabespeicherkreise vor- . gesehen. Diese Speicherkreise halten die Anzeige dauernd aufrecht, solange der Zähler frei ist und eine neue Zählung durchführt, und die Anzeige ändert sich nur, wenn die von Null begonnene Zählung ein anderes Ergebnis liefert als die vorangegangene Zählung.

Wenn sich die Eingangsspannung um einen Betrag

ändert, der größer ist als l^/o des vollen Skalenwertes und das Fehlersignal am Ausgang des Netzwerkes 9

größer wird, als durch eine Änderung des Zählwertes in den beiden letzten Stellen des Zählers 25 korrigiert werden kann, arbeitet die Schaltungsanordnung wieder in der zuerst beschriebenen Weise, und der gesamte Zählzyklus wird wiederholt.

Die beschriebene Schaltungsanordnung liefert also eine genaue digitale Anzeige eines zugeführten Signals in einem einzigen Schritt. Die maximale Genauigkeit kann in einem zusätzlichen Zählschritt ermittelt werden. Es ist also nicht mehr wie bisher nötig, sukzessive digitale Approximationen der gewünschten Anzeige innerhalb bestimmter Genauigkeitsgrenzen zu machen. Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung erlaubt außerdem eine kontinuierliche Überwachung des anliegenden Signals, ohne daß der gesamte Arbeitszyklus durchlaufen werden muß, wenn sich die Amplitude des Eingangssignals nur wenig ändert.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur digitalen Anzeige einer ana- ao logen Eingangsspannung, mit einem Zähler, der mit einem Impulsgenerator über ein Gatter verbunden ist, das die vom Impulsgenerator erzeugten Impulse während einer Öffnungsperiode zum Zähler durchläßt, und einer Schaltungsanordnung, die die Differenz zwischen der Eingangsspannung und einer vom Zählerstand abhängigen Spannung bildet, dadurch gekennzeichnet, ■ daß dem frequenzveränderlichen Impulsgenerator (17) während einer bestimmten Öffnungsperiode des Gatters (19) eine die Impulsfolgefrequenz innerhalb eines ersten Bereichs steuernde Spannung und während einer auf diese Öffnungsperiode folgenden Öffnungsperiode eine die Impulsfrequenz innerhalb eines zweiten Bereichs steuernde Spannung von der Schaltungsanordnung (9) zugeführt werden, die diese Spannungen als Differenz zwischen der Eingangsspannung und der vom Zählerstand abhängigen Spannung bildet, um den während einer bestimmten ersten öffnungsperiode erreichten Zählerstand entsprechend der während der nachfolgenden zweiten Öffnungsperiode zugeführten Impulszahl zu ändern.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (25) einen die höheren Stellen umfassenden ersten Teil aufweist, dem die Impulse des Impulsgenerators, deren Wiederholungsfrequenz innerhalb des ersten Bereichs veränderlich ist, während der bestimmten Öffnungsperiode zugeführt sind, daß das Rückkopplungssignal proportional dem Zählwert im ersten Teil des Zählers ist, und daß der Zähler einen zweiten, die niedrigeren Stellen umfassenden Teil enthält, dem die Impulse während einer nachfolgenden Öffnungsperiode des Gatters (19) zugeführt sind, in der die Impulsfolgefrequenz entsprechend dem aus dem Kombination des Rückkopplungssignals und des Eingangssignals erzeugten Signal gesteuert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen des ersten und zweiten Bereichs der Impulswiederholungsfrequenz der Basis des Zahlensystems, nach dem der Zähler arbeitet, zugeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (37) zum Rückstellen des zweiten Teiles des Zählers nach jedem Meßzyklus."

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 872 670, 2 994 825,
040 273.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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