DE1289101B

DE1289101B - Analog-Digital-Umsetzer mit einem integrierenden Verstaerker

Info

Publication number: DE1289101B
Application number: DES98978A
Authority: DE
Inventors: Dorey Howard Anthony
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1964-08-24
Filing date: 1965-08-21
Publication date: 1969-02-13
Also published as: US3458809A; GB1057696A

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales Voltmeter (oder einen Analog-Digital-Umsetzer) mit einem integrierenden Verstärker, einer auf die Größe des Verstärkerausgangssignals ansprechenden Schwellwertschaltung, einem Taktimpulsgeber, einem Taktimpulszähler, einer Vorrichtung, die dem Verstärkereingang einen Kompensationsstrom zuführt, der von einem Schaltglied gesteuert wird, das abwechselnd, von der Schwellwertschaltung gesteuert, einen von zwei Zuständen einnimmt, wobei es im einen Zustand dem Verstärkereingang sowohl den Eingangs- als auch den Kompensationstrom und im anderen "nur den einen der beiden Ströme zuführt.

Bei bekannten A/D-Umsetzern dieser Art muß der von der Schwellwertschaltung gelieferte Schwellwert einen genauen Wert im Verhältnis zum Wert des Verstärkerausgangssignals zu Beginn der Messung haben. "'

Durch die Erfindung wird der tatsächliche Wert des Schwellwertes völlig unwesentlich, so daß keine Vorkehrungen getroffen zu werden brauchen, um zu gewährleisten, daß das Verstärkerausgangssignal zu Beginn einer Messung irgendeinen vorbestimmten Wert hat.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Taktimpulszähler ständig zählt und das Schaltglied abwechselnd von der Schwellwertschaltung und dem Zähler, von jener, wenn das Verstärkerausgangssignal den Schwellwert erreicht, und von diesem, wenn er überläuft und erneut zu zählen beginnt, derart umgeschaltet wird, daß (bei geeigneter relativer. Größe von Eingangs- und Kompensationsstrom) der Betrag des Verstärkerausgangssignals periödifeeif' zWiSchen dem" Schwellwert der ■Schwell- -: wertschaltung und demjenigen Wert schwankt, den es hat, wenn der Zähler überläuft, und dieser Wert nach einigen Umläufen des Zählers konstant bleibt.

Dieser A/D-Umsetzer hat die Eigenschaft, daß die Zeitspanne von demjenigen Augenblick, in dem der Taktimpulszähler, wenn das Verstärkerausgangssignal den stationären Zustand erreicht hat, von Null zu zählen beginnt bis zu demjenigen Zeitpunkt, in. dem das Verstärkerausgangssignal den Sehwellwert erreicht, proportional zur Meßspannung ist. Im stationären Zustand,-der nach.einigen wenigen Zählumläufen erreicht ist, wird daher der Zählvorgang des Taktimpulszählers unterbrochen, wenn das Verstärkerausgangssignal den Schwellwert erreicht. In diesem Augenblick zeigt dann der Taktimpulszähler den Meßwert digital an.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

F i g. 1 ist ein Diagramm, das der Erklärung dient;

F i g. 2 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung. - --

Die folgende Beschreibung ist auf den Fall beschränkt, daß der Eingangsstrom während des gesamten Zählerumlaufs und der Kompensationsstrom während des ersten Teils der Zählerumläufe fließt, obgleich statt dessen der Kompensationsstrom nur während des zweiten Teils der Zählerumläufe fließen und die Rolle von Eingangs- und Kompensationsstrom vertauscht sein könnte, vorausgesetzt, daß entsprechende Änderungen zur Beschränkung der relativen Werte der Ströme vorgenommen sind. Die allgemeine Beschränkung besteht darin, daß die Neigung des Verstärkerausgangssignals während des ersten und zweiten Teils des Zählerumlaufs das entgegengesetzte Vorzeichen haben muß und ihr Betrag im zweiten Teil nicht ihren Betrag in der ersten Hälfte übersteigen darf.

Aus der F i g. 1 kann man gut erkennen, wie die Ausgangsspannung F des Verstärkers A unabhängig vom Verhältnis ihres Anfangwertes zum Schwellwert T zum selben stationären Zustand gelangt, in dem die Abfall- bzw. Anstiegszeit, d. h. die Dauer des ersten bzw. zweiten Teils des Zählerumlaufs der

ίο Steigung der Ausgangsspannung in dem jeweiligen Teil umgekehrt proportional ist. Fig. 1 zeigt den Vorgang für zwei unterschiedliche Ausgangswerte durch ausgezogene bzw. gestrichelte Linien. Die Kurven verschmelzen schnell, und am Ende des fünften Zählumlaufs ist der Endwert F₀ im stationären Zustand erreicht.

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung zur Herstellung der oben angeführten Situation. Die Meßspannung wird einem Verstärker/! mit kapazitiver Rückkopplung Cl über einen Widerstand R1 zugeführt. Die Verstärkerausgangsspannung wird einer Schwellwertschaltung E zugeführt; solange wie die Ausgangsspannurig über'dem Schwellwert liegt, bleibt ein bistabiles Schaltglied B gesetzt und dadurch ein Gatter Gl geöffnet, so daß Taktimpulse eines Taktimpulsgebers K durch das Gatter hindurchgehen und einen Schalter Sl öffnen; hierdurch er-

?, scheint eine impulsförmige Spannung VR üb# einen . Widerstand R2 am Verstärkereingang. Dej von

3ö dieser Spannung erzeugte Strom wird Kompensationsströiri genannt, weil er gegenüber dem von dei Meßspannung erzeugten Eingangsstrom ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. _;._{; t}. .. -*
' ^: Der Mittelwert des Kömpensationsstroms ist

AT-VR

T-: RZ' '■ &

worin AT die Dauer eines Taktimpulses und T die : . Periode des Taktpulses bedeutet:·. Der Eingangsstrom

-ist-ipj-. Wie anschließend erläutert wird, muß der

Kompensationsstrom wenigsten^.doppelt so groß wie der Eingangsstrom sein. Die durch das Gatter Gl laufenden Impulse werden außerdem über ein ODER-Glied einem Zähler N zugeführt.
Wenn das Verstärkerausgangssignal bis auf den voh der Schaltung .£ festgesetzten Schwellwert abfällt, wird das bistabile Schaltglied B zurückgesetzt und das Gatter Gl geschlossen. Ein weiteres Gatter Gl wird jedoch so lange geöffnet, wie der Schalter S2 geschlossen ist; die Impulse vom Taktimpulsgeber K gehen nun durch dieses Gatter und das ODER-Glied zum Zähler N hindurch. Wenn der Zähler gefüllt ist, setzt er das bistabile Schaltglied B, und es beginnt ein neuer Zählerumlauf.

Die Anstiegsgeschwindigkeit im zweiten Teil des Zählerumlaufs sei kV, wobei k eine Konstante ist. Die Abfallgeschwindigkeit im ersten Teil betrage k (b — F), worin b eine weitere Konstante ist. Die Anstiegszeit ist daher t_c — t_ß, worin t_c die Periodendauer der Zählerumläufe ist. Das Verstärkerausgangssignal steigt daher im zweiten Teil des p-ten Zählerumlaufs auf kV (t_c — t„) an, wobei der Schwellwert der Einfachheit halber mit Null gewählt ist. Die Zeit zum Zurückfallen auf Null im (p + 1-ten Umlauf

ist dementsprechend

k(b - V) '
Dies ist jedoch t_p+l, und so ist

_t ₌ Ah-QV

^{P + 1} b-V

was geschrieben werden kann als

tp ₊ j^:=: u -τ rip.
Dies ergibt die Rekursivformel

Die Reihe konvergiert, und der rechte Term strebt nach Null, wenn r <C 1. Nun ist

b-v;

wenn man annimmt, daß V algebraisch positiv ist, ist die Konvergenzbedingung 6>2F.

Der Grenzwert von t_v ist dann: ;: ■ . : . ■

Lim(g =
ρ —>- oo

Ir

1 + V/(b - V)

Schalter 52 geschlossen gehalten werden. Wenn das Rauschen unter einen vorgegebenen Wert abnimmt, öffnet sich der Schalter 52, und der endgültige Wert von tp kann vom Zähler N gezählt werden.
Eine Anordnung zur Ausführung dieser selbsttätigen Umschaltung von 52 ist in F i g. 2 dargestellt. Wenn das bistabile Schaltglied B zur Zeit t_v zurückgesetzt wird, öffnet ein Impuls, der durch Differentiation der Vorderflanke des Rücksetzimpulses

ίο von B mit Hilfe eines Kondensators C 2 erzeugt wird, kurzzeitig ein Gatter G 3. Dieses Gatter G 3 ist mit einer vorhergehenden, niederwertigen Stufe des Zählers N verbunden; dabei wird die Spannung an dieser Stufe abgetastet. Sie hat je einen Wert für Null und

*5 Eins. Über einen Kondensator C 3 wird, ein entsprechender Impuls erzeugt und von einem Brückengleichrichter BR mit Glättungskondensator C 4 völlig gleichgerichtet. Von der Spannung an diesem Kondensator wird eine Auslöseschaltung TC gesteuert, die ihrerseits den Schalter 52 betätigt. Der Kondensator C 4 lädt sich zwar schnell über den Brüc'kengleichrichter auf, entlädt sich aber*nur.langsam. Solange wie sich die vom Gatter G 3 sibgeiastete: Spannung von Zeit zu Zeit ändert, wird der Kondensator geladen gehalten, und die Auslöseschaltung TC hält den Schalter 52 geschlossen. Wenn sich jedoch das * Spannungsniveau nicht ändert, entlädt sich der Kondensator C 4, und die Auslöseschaltung öffnet den Schalter 52.

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Claims

Patentansprüche: _ '«τ1 Im Betrieb läuft der Analog-Digital-Umsetzer während so vieler Zählerumläufe, daß im wesentlichen dieser Zustand erreicht wird; dann wird der Schalter 52 geöffnet, worauf nur tp im Zähler N gezählt wird. tp ist geringer als Va tc, und so ist der Zähler iV weniger als zur Hälfte gefüllt. Das bistabile Schaltbild B wird nicht gesetzt, und die Zahl von t„ ist im Zähler zwecks Ablesung festgehalten. Da es äußerst wichtig ist, ein konstantes Tastverhältnis für die Taktimpulse beizubehalten, können diese Impulse dadurch gebildet werden, daß die Impulsfolgefrequenz der Ausgangsimpulse einer Impulsquelle durch eine gerade Zahl geteilt wird; somit erhält man einen Puls, dessen Tastverhältnis (Verhältnis von Impulsdauer zu Periodendauer) genau 1:2 bleibt. Der Schalter 52 muß vom bistabilen Schaltglied B verriegelt sein, damit er sich nicht öffnet, wenn das bistabile Schaltglied zurückgesetzt ist; in der Praxis können auch andere als die dargestellten Vorrichtungen zum Umschalten auf das Zählen von t„ benutzt werden, nachdem der stationäre Zustand erreicht ist. Dies läßt sich völlig automatisch durchführen, wenn das bistabile Schaltglied B so ausgebildet ist, daß bei seinem Umschalten ein Signal aus einer niedrigen Stufe des Zählers N mit Hilfe eines Gatters durchgeschaltet wird, d. h., daß eine niedrigere Stelle der Zahl tv im Zähler N abgetastet wird. Bevor der stationäre Zustand erreicht ist, bringt das abgetastete hindurchgelassene Signal ein beträchtliches Rauschen mit sich, weil es manchmal Null und manchmal Eins ist; von diesem Rauschen kann der

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einem integrierenden Verstärker, einer auf die Größe des Verstärkerausgangssignals ansprechenden Schwellwertschaltung, einem Taktimpulsgeber, einem Taktimpulszähler, einer Vorrichtung, die dem Verstärkereingang einen Kompensationsstrom zuführt, der von einem Schaltglied gesteuert wird, das abwechselnd, von der Schwellwertschaltung gesteuert, einen von zwei Zuständen einnimmt, wobei es im einen Zustand dem Verstärkereingang sowohl den Eingangs- als auch den Kompensationsstrom und im anderen nur den einen der beiden Ströme zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktimpulszähler (K) ständig zählt und das Schaltglied (B) abwechselnd von der Schwellwertschaltung (£) und dem Zähler (N), von jener, wenn das Verstärkerausgangssignal den Schwellwert erreicht, und von diesem, wenn er überläuft und erneut zu zählen beginnt, derart umgeschaltet wird, daß (bei geeigneter relativer Größe von Eingangs- und Kompensationsstrom) der Betrag des Verstärkerausgangssignals periodisch zwischen dem Schwellwert der Schwellwertschaltung (E) und demjenigen Wert schwankt, den es hat, wenn der Zähler (N) überläuft, und dieser Wert nach einigen Umläufen des Zählers konstant bleibt.

2. A/D-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs- oder der Kompensationsstrom dem Verstärkereingang über ein Gatter (Gl) zuführbar und das Gatter nur geöffnet ist, wenn das Schaltglied (B) sich in seinem einen Zustand befindet.

3. A/D-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom

dem Verstärkereingang über das Gatter (Gl) zuführbar ist und das Gatter (Gl) zwischen dem Taktimpulsgeber (K) und einem Schalter (51) liegt, der auf die vom Gatter (Gl) hindurchgelassenen Taktimpulse anspricht und dem Verstärker (A) einen pulsierenden Kompensationsstrom zuführt.

4. A/D-Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Gatters (Gl) auch mit dem Eingang des Zählers (N) verbunden ist, daß der Ausgang des Taktimpulsgebers (K) mit dem Zähler (N) über ein weiteres Gatter (G 2) verbunden ist, das von dem bistabilen Schaltglied (B) steuerbar und geöffnet ist, wenn das erste Gatter (Gl) geschlossen ist, oder umgekehrt, und daß ein zweiter Schalter (52) betätigbar ist, wenn das Verstärkerausgangssignal am Ende der Zählerumläufe einen gleichbleibenden Wert erreicht, damit die Taktimpulse den Zähler (N) nicht über das weitere Gatter (G 2) erreichen.

5. A/D-Umsetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Schaltung (G 3, Ci, BR, CA, TC) selbsttätig das Erreichen des gleichbleibenden Wertes feststellbar ist und der zweite Schalter (52) beim Feststellen eines gleichbleibenden Wertes betätigbar ist.

6. A/D-Umsetzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein von dem Schaltglied (B) gesteuertes Gatter (G¹S), von dem der Zustand einer niederwertigen Stufe des Zählers (N) in einem Zeitpunkt abtastbar ist, in dem der Schwellwert erreicht ist, eine Gleichrichterschaltung (BR), von dem ein Kondensator (C 4) jedesmal aufladbar ist, wenn sich der abgetastete Zustand von dem zuvor abgetasteten unterscheidet, und eine Auslöseschaltung (TC) enthält, von der der zweite Schalter (52) dann betätigbar ist, wenn die Ladung des Kondensators (C 4) bis zu einem vorgegebenen Wert abgeflossen ist.

7. A/D-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktimpulsgeber eine Impulsquelle und eine Impulsfolgefrequenz-Teilerschaltung enthält, die die Pulsfrequenz der Impulsquelle untersetzt und dadurch Taktimpulse mit einem Tastverhältnis von 1:2 ableitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen