DE1948495A1

DE1948495A1 - Analogdigitalwandler fuer kleine Signale mit sicherer Beseitigung von Fehlerspannungen

Info

Publication number: DE1948495A1
Application number: DE19691948495
Authority: DE
Inventors: Prozeller Paul Edward
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-09-30
Filing date: 1969-09-25
Publication date: 1970-04-16
Also published as: BE739428A; SE349437B; US3541446A; GB1227066A; ES372276A1; FR2019206A1; DE1948495B2; AT299583B; NL6914717A

Description

Analogdigitalwandler für kleine Signale mit sicherer Beseitigung von .Fehlerspannungen

Die Erfindung betrifft einen Analogdigital(impulsbreiten)-Wandler, bestehend aus einem Operationsintegrator mit einem integrierenden Rückkopplungskondensator, einem Komparator, der den Ausgang des Operationsintegrators mit einer S chwellwert spannung vergleicht und einen positiven oder negativen Ausgang abgibt je nach der Beziehung des Integrator-Ausgangs zu der Schwellwertspannung einer Referenz stromquelle, die mit dem Eingang des Operationsintegratörs verbunden ist, um den Rückkopplungskondensator mit einer geregelten Geschwindigkeit zu entladen, einem Zeitkreis, der mit dem Ausgang des Signalkomparators verbunden ist, um die Entladungszeit des Rückkopplungskondensators zu messen, Mitteln zum Steuern des Anlegens des analogen Signals an den Operationsintegrator-Eingang, und Mitteln zum Aussertätigkeitsetzen der Refernzstromquelle während des Anlegens des analogen Signals.

Bekannte Schaltungen, die eine ähnliche Funktion durchführen, leiden an der Unfähigkeit, kleine Signale zu messen wegen der Ableitung von Ladung auf Ladungsspeicherelemente, des internen Rausches und fremder

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Streuströme. Diese Effekte ergeben unvorhersagbare Anfangsbedingungen in der Integrations schaltung und führen zu Jbedeutenden Fehlern, wenn kleine analoge Eingangssignale gemessen werden.

Diese Probleme werden bei der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass die Referenzstromquelle neben der Entladung des Rückkopplungskondensators mit einer gesteuerten Geschwindigkeit während der Messung eine zweite Funktion ausübt. Die Bolarität der Referenzstromquelle ist unter dem Einfluss der Ausgangspolarität des Signalkomparators umkehrbar. Hierdurch wird das Abwandern der Integrator-Anfangsbedingungen zwischen den Messungen verhindert, so dass der Ausgang des Operationsintegrators auf dem Schwellenwert des Signalkomparators gehalten wird, wodurch die Messung oder die Umwandlung von kleinen analogen Spannungen möglich wird.

Ein Aspekt der Erfindung ermöglicht die Messung von Spannungen, bezogen auf Referenzspannungen, die nicht das Erdpotential des Wandlers darstellen, indem zunächst die Spannung auf einem Kondensator gespeichert wird, der vom Erdpotential der Schaltung getrennt ist und dann die angesammelte Ladung auf die vorher beschriebene Schaltung übertragen wird. : " .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Referenzstromquelle mit

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umkehrbarer Polarität. Bei diesem Aspekt werden zwei getrennte Quellen benutzt, die unter dem Einfluss der Polarität des Ausgangs des Signalkomparators in geeigneter Weise durchgeschaltet werden.

-Ein Analog-^igital-Wandlungssystem des Typs, mit dem sich die Erfindung befasst, tastet eine zum analogen Signal in Beziehung stehende Spannung ab, speichert die abgetastete Probe in einer Energiespeicher einrichtung und bestimmt die Dauer, die notwendig ist, um die Energiespeichereinrichtung zu entladen. Bei einer besonderen Ausführung dieses Wandlungssystems wird eine abgetastete Probe der analogen Sig-" nalspannungsamplitude in einem Kondensator gespeichert. Der Kondensator wird mit einem vorbestimmten Normalreferenz strom entladen. Während dieser Entladungsperiode wird eine periodische Impuls quelle zu einem Zähler durchgeschaltet. Die Anzahl der vom Zähler gezählten Impulse wird in eine digitale Darstellung der analogen Signalamplitude codiert.

Die oben beschriebene Ausführung des Wandlers, die für die Analogdigitalwandlung von grossen Spannungen geeignet ist, ist für die Wandlung von kleinen Spannungen im Millivolt-Bereich infolge von Fremdströmen und Restspannungeni die in den Energiespeicherkomponenten in der Wandlerschaltung auftreten, zu ungenau. Um ein kleines analoges Signal in die digitale Form genau zu wandeln, ist es notwendig, dass

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diese fremden Restladungen entweder von den jEnergiespeichereinrichtungen entfernt oder auf einen vorher definierten Wert genau geregelt werden.

Daher werden durch die Erfindung kleine analoge Signalamplituden in ihre digitalen Äquivalente genau gewandelt, während infolge gespeicherter Restladungen im Wandler entstehende Fehler kompensiert werden.

Demgemäss wandelt erfindungsgernäss ein Analogdigitalwandler eine analoge Signaisp annungs amplitude in eine repräsentative Impulsdauer um, indem die Entladung einer Energiespeichereinrichtung zeitlich bestimmt wird. Die Spannung des zu wandelnden analogen Signals wird zunächst auf einem Speicherkondensator gespeichert. Der Speicherkondensator ist mit einem Operationsintegrator gekoppelt, der aus einem Operationsverstärker mit einem integrierenden Rückkopplungskondensator besteht. Die auf dem Speicherkondensator gespeicherte Ladung wird zum integrierenden Rückkopplungskondensator des Operationsintegrators übertragen. Die Zeit, die zur Entladung des integrierenden Rückkopplungskondensators mit einem konstanten Referenzstrom notwendig ist, stellt ein Mass für die Amplitude des analogen Signals dar. Ein Multivibrator, der auf die Entladung des integrierenden Kondensators anspricht, erzeugt einen Impuls, dessen Dauer gleich der Entla-

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dungszeit ist. Dieser Impuls wird verwendet, um ein Gatter zu betätigen, derart, dass der periodische Ausgang einer Impulsquelle an einen Impulszähler angelegt wird. Die erzielte Impulszählung ist eine digitale Darstellung der analogen Signalamplituden.

Dieser konstante Referenzstrom wird durch einen Referenzrückkopplungskreis geliefert, der auf den Ausgang des Operationsverstärkers anspricht. Referenzrückkopplungskreise kompensieren zusätzlich Fehlersignale und abweichende Spannungen im Operationsverstärker, indem Referenzströme mit abwechselnden Polaritäten geliefert werden, um den Speicherkondensator und den integrierenden Rückkopplungskondensator während freier Perioden zwischen den Messungen vor der Übertragung der gespeicherten Ladung auf vorbestimmten abweichenden Potentialen zu halten.

Ein Merkmal einer Ausführung der Erfindung ist eine LadungsÜbertragungsanordnung, die die genaue Analogdigitalwandlung von analogen Spannungen ermöglicht, ohne dass eine Symmetrierung des Wandlers in Bezug auf die Referenz-Erdspannung der gewandelten analogen Spannung notwendig ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigenr

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Fig. 1 ein Bio cksehema eines Analog-Digitalwandlers,, der das Erfindungsprinzip verkörpert;

Fig. 2 ein Blocks chema eines Analog -Digit al wandler s, der das Erfindungsprinzip verwendet, um analoge Signale in digitale Signale zu wandeln, ohne den Wandler in Bezug auf die Referenz-Erdspannung der analogen Signale zu symmetrieren, und

k Fig. 3 ein teilweise in Blockform dargestelltes, mehr ins einzelne

gehendes Schema eines Analog-Digitalwandlers, der das Erfindungsprinzip benutzt.

Der in Fig. 1 dargestellte Analog-Digitalwandler tastet eine analoge Eingangs spannung ab und erzeugt unter deren Einfluss einen Impuls, dessen Dauer der Grosse der abgetasteten analogen Spannung, direkt proportional ist. Dieser Impuls wird verwendet, um den Ausgang einer periodischen Impulsquelle zu einem Impulszähler durchzuschalten. Die Zählung der Impulse durch den Zähler ist eine digitale Darstellung der Grosse der gemessenen analogen Spannung. Diese Zählung kann zur Übertragung zu einer entfernten Anzeigestelle in einen binären Code umgewandelt werden oder sie kann als Zählung direkt dargestellt werden.

Das analoge Signal, dessen Spannungsamplitude gemessen werden soll,

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wird von einer analogen Signalquelle 110, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, und die eine Quellenimpedanz 111 hat, geliefert. Die analoge Signalquelle 110 kann aus irgendeiner elektrischen Einrichtung bestehen, die irgendein elektrisches Signal erzeugt oder verarbeitet, dessen Spannung gemessen werden soll. Die Spannung des von der Quelle 110 gelieferten analogen Signals wird über einen geschlossenen Schalter an einen Speicherkondensator 115 übertragen. Der Schalter 112 bleibt für eine ausreichende Zeitdauer geschlossen, um sicherzustellen, dass die ganze analoge Spannungsamplitude im Speicherkondensator 115 gespeichert wird.

Das öffnen und Schliessen des Schalters 112 wie auch des Schalters wird durch eine Prüfzyklussteuerung 13 9 gesteuert. Die Prüfzyklussteuerung 13 9 kann aus einer Signalschritt schalteinrichtung bestehen, die Steuersignale liefert und geeignete Schalter betätigt, um die Folge der Wandler funktionen zu steuern, die das öffnen und das Schliessen der Schalter 112 und 113 umfassen. Die Signalschrittschaltung wird selektiv so zeitlich festgelegt, dass ausreichend Zeit für den Speicherkondensator 115 zur Verfügung steht, um auf den maximal vorgesehenen Amplitudenwert der gemessenen analogen Spannung aufgeladen zu werden. Der Aufbau einer Prüfzyklussteuerung, wie sie hier beschrieben wird, ist dem Fachmann bekannt und braucht daher im einzelnen nicht geschildert zu werden.

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Wenn ausreichend Zeit für die Aufladung des Speicherkondensators 115 auf die analoge Spannung verstrichen ist, öffnet die Prüfzyklussteuerung 139 den Schalter 112 und schliesst den Schalter 113 . Das Schliessen des Schalters 113 ermöglicht die Übertragung der auf dem Kondensator 115 gespeicherten Ladung zum integrierenden Rückkopplungskondensator 119 des Operationsintegrators 117. Der Operationsintegrator 117 besteht aus einem Gleichstromdifferentialverstärker 118 mit ^ hoher Verstärkung, wobei der integrierende Rückkopplungskondensator

119 die Ausgangsklemme mit der umkehrenden Eingangsklemme verbindet. Die nichtumkehrende Eingangsklemme des Differentialverstärkers 118 ist geerdet. Die Ausgangsspannung des Operationsintegrators 117 ist der auf dem integrierenden Kondensator 119 gespeicherten Ladung direkt proportional Durch die Ladungsübertragung wird die auf dem Kondensator 115 gespeicherte Ladung vollständig entfernt. Diese Ladungsübertragung ist vollständig, weil der Eingang des Operationsintegrators 117 eine virtuelle Erde ist, so dass die vollständige Entladung des Kondensators 115 möglich wird.

Die Ausgangs spannung des Operationsintegrators 117 geht zu einer Komparatorschaltung 121. Die Komparatorschaltung 121 kann aus einem Begrenzerverstärker mit hoher Verstärkung bestehen. Die Funktionen der hohen Verstärkung und der Begrenzung des Verstärkers

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ergeben einen binären Ausgang/ der dem vom Operationsintegrator 117 gelieferten Eingangssignal entspricht. Der binäre Ausgang der Komparator schaltung 121 ändert seinen Zustand, wenn immer das Eingangssignal des Komparators eine bestimmte Schwellenwertspannung durchquert. Bei einer idealen Komparatorschaltung ist diese Schwellenwertspannung theoretisch NuIl₁ sie ist jedoch infolge innerer Vorströme und Schaltelementänderungen normalerweise eine kleine feste Spannung. Die Spannung am Eingang des Operationsintegrators 117 weicht in gleicher Weise von Null ab. Ferner wird auf dem Rückkopplungskondensator 119 eine Korrekturspannung aufrechterhalten., um diese Schwellenwertspannung am Eingang des Komparators 121 zu kompensieren. Wenn das Eingangssignal des Komparators 121 unter dem vorher erwähnten Schwellenwert, ist sein Ausgang ein negatives Signal, das eine logische Null darstellt. Wenn das Eingangssignal über diesem Schwellenwert liegt, ist sein Ausgang ein positives Signal, das eine logische Eins darstellt. .

Das Ausgangs signal des Komparators 121 geht über den Leiter 122 zu zwei Referenzstrom-Rückkopplungskreisen 124 und 125. Die Rückkopplungskreise 124 und 125 sind ihrerseits mit dem Eingang des Operationsintegrators 117 verbunden. Der erste Rückkopplungskreis 125 enthält das Gatter 128, das eine positive Stromquelle 130 unter dem

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Einfluss eines positiven Aus gangs signals des Komparators 121 mit dem Eingang des Operationsintegrators 117 verbindet. Der zweite Rückkopplungskreis 124 enthält eine Umkehreinrichtung 123 und das Gatter 127, das eine negative Stromquelle 129 unter dem Einfluss eines negativen Aus gangs signals des Komparators 121 mit dem Eingang des Operationsintegrators 117 verbindet.

Wenn die Ausgangsspannung des Operationsintegrators 117 über die Schwellenwertspannung des Komparators 121 geht, ist das Ausgangs signal des Komparators positiv und betätigt das Gatter 128, so dass der positive Ausgangsstrom der Stromquelle 130 an den integrierenden Kondensator 119 angelegt wird und ihn lädt, bis der Ausgang des Operationsintegrators 117 unter die Schwellenwertspannung fällt.

Wenn die Ausgangs spannung des Operationsintegrators 117 unter die Schwellenwertspannung fällt, ändert der Ausgang des Komparators 121 seinen Zustand und erzeugt ein negatives Ausgangs signal. Dieses negative Aus gangs signal wird durch die Umkehreinrichtung 123 umgekehrt und benutzt, um das Gatter 127 zu betätigen. Die Gatterschaltung 127 legt bei Betätigung den negativen Ausgangsstrpm der Stromquelle 129 an den integrierenden Kondensator 119 an.

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Die Wirkung des oben beschriebenen Rückkopplungssystems wird benutzt, um die gespeicherte Ladung zu entladen, die infolge des analogen Signals zum integrierenden Kondensator 119 des Operationsintegrators 117 übertragen wird. Die Zeit, die zur Entladung der infolge des ana-' logen Signals auf dem integrierenden Kondensator 119 gespeicherten Ladung notwendig ist, ist der Grosse der gemessenen analogen Spannung proportional.

In der Zeit zwischen den Messungen regelt das Rückkopplungs system die auf dem Speicher kondensator 115 und dem integrierenden Kondensator 119 vorhandenen fremden Restladungen, um die genaue Analog-Digitalwandlung von kleinen Spannungen zu ermöglichen. Diese Restladungsregelung hält das Ausgangspotential des Operationsintegrators 117 auf der Schwellenwertspannung des Komparators 121. Während der Periode der Ladungsübertragung, wenn die infolge des analogen Signals gespeicherte Ladung vom Speicherkondensator 115 zum integrierenden Kondensator 119 übertragen wird, wird die Tätigkeit des Rückkopplungssystems unter dem Einfluss der Prüf zyklus steuerung 13 unterbrochen. Die Prüf zyklus steuerung 13 9 setzt das Rückkopplungs system ausser Tätigkeit, indem es während dieser Periode über die Leiter 147 und 148 Sperrsignale an die Gatter 127 und 128 anlegt.

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Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, dass das Rückkopplungs system vor der Übertragung der Ladung vom Speicherkondensator zum integrierenden Kondensator Restladungen auf dem Speicherkondensator 115 und dem integrierenden Kondensator 119 hält. Während der Ladungsübertragung wird die Wirkung des Rückkopplungs systems gesperrt. Nach dem Ende der Ladungsübertragung wird das Rückkopplungssystem wieder in Tätigkeit gesetzt, um die gesteuerte Entladung ^ des integrierenden Kondensators 119 zu ermöglichen. Die Dauer der

gesteuerten Entladung stellt die Amplitude des analogen Signals dar und wird durch die Dauer des Ausgangsimpulses der bistabilen Multivibrator schaltung 132 wiedergegeben.

Die auf dem integrierenden Kondensator 119 durch das Rückkopplungs system gespeicherte Restladung reicht aus, um den Ausgang des Operationsverstärkers auf der Schwellenwertspannung des Komparätörs 121 zuhalten. Die hinzugefügte Ladung,, die das analoge Signal dar- f · stellt, vergrössert bei der Übertragung zum integrierenden Kondensator 119 das Ausgangspotential des Operationsverstärkers um einen Betrag., der der analogen Spannungsamplitude proportional ist. Die Änderung der auf dem integrierenden Kondensator 119 nach der Ladungsübertragung gespeicherten Ladung ist nur die Folge der Ladung der analogen Spannung, die ursprünglich auf dem Ladungsspeicher-

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kondensator 115 gespeichert war.

Der Speicher kondensator 115 ist dauernd mit dem integrierenden Rückkopplungskondensator 119 und dem Rückkopplungs system verbunden. Weiterhin enthält der Speicherkondensator 115, wie oben beschrieben, eine Restladung, die durch das Rückkopplungssystem gesteuert wird. Die Ladung auf dem Ladungsspeicherkondensator 115 infolge der abgetasteten analogen Spannung wird durch die gesteuerte Restladung geändert, um die abweichende Spannung zu kompensieren, die am Eingang des Operationsintegrators 117 erforderlich ist.

Die Prüfzyklussteuerung 13 9 stellt zu Beginn der Entladungsperiode, während der das Rückkopplungs system den integrierenden Rückkopplungskondensator 119 entlädt, den bistabilen Multivibrator 132 ein. Der Einstellausgang des bistabilen Multivibrators 132 betätigt das UND-Gatter 135 und ermöglicht damit die Übertragung des Impulszugausgangs der Impulsquelle 133 zum. Impulszähler 137. Wenn der Ausgang des !Comparators 121 seine Polarität unter dem Einfluss der Entladung des integrierenden Rückkopplungskondensators 119 ändert, wird der bistabile Multivibrator 132 zurückgestellt. Das UND-Gatter 135 wird ausser Tätigkeit gesetzt, wobei keine weiteren Impulse zum Impulszähler 137 übertragen werden. Die gesamte Impuls zählung ist

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daher eine Darstellung des Betrages der auf dem integrierenden Rückkopplungskondensator 119 gespeicherten Ladung und damit der Grosse der analogen Spannung, die von der analogen in die digitale Form umgewandelt werden soll.

Wie oben beschrieben, wird die analoge Spannung abgetastet und auf dem Speicherkondensator 115 gespeichert. Während der Abtastperiode ^ wird eine gesteuerte Restladung auf dem Speicher kondensator 115 und

dem integrierenden Kondensator 119 durch die vom Rückkopplungssystem gelieferten Referenz ströme aufrechterhalten. Die infolge der analogen Spannung vorhandene Ladung wird auf dem Spei eher kondensator 115 gespeichert und dann zum integrierenden Kondensator 119 übertragen. Während der Ladüngsübertragungsperiode wird das Anlegen des Referenzstroms an den Speicherkondensator 115 und den integrierenden Kondensator 119 gesperrt. Am Ende der Ladüngsübertragungsperiode wird der bistabile Multivibrator 132 eingestellt, wobei die Referenz ströme wieder an den Speicher kondensator 115 und den integrierenden Kondensator 119 angelegt werden. Die Referenz ströme entladen den integrierenden Kondensator 119 auf den Restladungswert, woraufhin die Komparatorschalrung 121 ihren Zustand ändert. Dieser Übergang des Ausgangs signals des Komparators 121 stellt den bistabilen Multivibrator 132 zurück. Die Zeit der Einstellperiode des bista-

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bilen Multivibrators 132 entspricht der Amplitude des gewandelten analogen Signals. Die infolge der abweichenden Spannung und der Schwellenwertspannung auftretenden Fehler können mehrere Millivolt betragen. Durch Steuern der Restladung in der oben beschriebenen Weise kann die Wandlung kleiner Spannungen im Millivoltbereich genau gemacht werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Analog-Digitalwandlungs-Anordnung ist so aufgebaut., dass sie in Schaltanordnungen arbeitet, in denen die Wandlungseinrichtung in Bezug auf die gleiche Erdreferenzspannung wie die in die digitale Form umzuwandelnde analoge Spannung symmetriert ist. Die in Fig. 2 dargestellte Ahalog-Digitalwandler-Schaltung wird in den Fällen benutzt, wo das analoge Signal und der Wandler nicht in Bezug auf das gleiche Erdpotential symmetriert sind. Bei diesem Analog-Digitalwandler ist ein zusätzlicher Kondensator 247 in den Ladungsübertragungsweg eingefügt, .um die Restfehlerkorrekturladung zu speichern und zu liefern.

Die analoge Signalquelle 210, die den Quellenwiderstand 211 enthält, ist mit den gekuppelten Eingangsschaltern 216 verbunden, die durch die Prüf Zyklussteuerung 23 9 gesteuert werden. Wenn die Schalter 216 geschlossen sind, wird die analoge Spannung zum Speicherkondensator

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214 übertragen, so dass er parallel zur analogen Signalquelle liegt. Diese Spannung wird über den Fehlerkorrekturkondensator 247 zum integrierenden Kondensator 219 übertragen. Das Rückkopplungssystem;, das auf den Komparator 221 anspricht, hält auf dem Fehlerkorrektur kondensator 247 und dem integrierenden Kondensator 2.19 eine Restladung aufrecht, nicht aber während der Ladungsübertragungsperiode. Diese Restladung hält den abweichenden Spannungsausgang des Operationsintegrators 217 auf dem Schwellenwertspannungseingang des Komparator s 221.

Die Ladungsübertragung vom Speicherkondensator 214 zum integrierenden Rückkopplungskondensator 219 geschieht durch die aufeinanderfolgenden Schritte des öffnens der Schalter 216 und 213 und des Schliessens der gekuppelten Schalter 212. Die auf dem Speicherkondensator 214 gespeicherte Ladung wird über den Fehlerkorrekturkondensator nicht vollständig zum integrierenden Kondensator 219 entladen. Ein Bruchteil der gespeicherten Ladung, der dem Kapazitätsverhältnis der Kondensatoren 214 und 247 proportional ist, wird zum integrierenden Kondensator 219 übertragen. Jedoch werden die jeweiligen Ladungen unter den Kondensatoren 214, 247 und 219 so aufgeteilt, dass die Änderung der Ausgangs spannung des Operationsverstärkers 217 unter dem Einfluss der Ladungsübertragung der Grosse der gewandelten

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analogen Spannung direkt proportional ist. Die Ladung wird während der Übertragung aufgeteilt, um die Re st spannungen auf den Kondensatoren unabhängig von der Ladungsübertragung aufrechtzuerhalten, so dass der Komparator 221 seinen Zustand ändert, nachdem eine Ladung, die die analoge Signalamplitude darstellt, vom integrierenden Rückkopplungskondensator 219 entladen ist.

Die obige Anordnung erlaubt die genaue Messung von unsymmetrischen analogen Spannungen, ohne dass die Durchführung von Berechnungen notwendig ist, um die in den Kondensatoren enthaltenen Restladungen zu berücksichtigen. Mit Ausnahme der Ladungsübertragungs anordnung arbeitet der in Fig. 2 dargestellte Wandler in gleicher Weise wie der Wandler der Fig.l.

Ein ins einzelne gehendes in Blockform und schematisch dargestelltes Schaltbild des Analog-Digitalwandlers der Fig. 2 zeigt die Fig. 3. Die in die digitale Form zu wandelnden analogen Signale werden von der analogen Signalquelle 310 geliefert. Die beiden Leiter der analogen Signalquelle 310 sind jeweils mit einer der Stromwegelektroden der Feldeffekttransistoren 311 und 312 verbunden, deren Steuer elektroden mit einem gemeinsamen Knoten verbunden sind. Der Ladungsspeicherkondensator 313 ist zwischen die übrigen Stromwegelektroden dieser

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Feldeffekttransistoren 311 und 312 geschaltet. Die Stromwegelektroden der Feldeffekttransistoren 314 und 315 sind ferner-mit dem Ladungsspeicherkondensator 313 verbunden. Der Stromweg des Feieffekttransistors 316 verbindet die eine Elektrode eines Fehlerkorrekturkondensators 317 mit der Erde. Unter normalen Betriebsbedingungen sind die Feldeffekttransistoren 311, 312 und 316 durch das negative Potential 315 im leitenden Zustand. Die Feldeffekttransistoren 314 und 315 sind durch das Ausgangspotential des leitenden Transistors 320 im nichtleitenden Zustand. Hierdurch kann das analoge Signal den Speicherkondensator 313 auf den analogen Signalspannungswert aufladen.

Vor der Übertragung der Ladung vom Speicherkondensator 313 zum integrierenden Kondensator 331 sind der mono stabile Multivibrator und die JK-Flipflop-Schaltung 330 vor eingestellt und bleibenin einem Zustand, bei dem die jeweiligen Ausgangssignale eine logische Null '" . darstellen. Eine JK-FHpflop-Schaltung ist ein bistabiler Multivibrator

mit einem Kipp-Eingang. Ein an den Kipp-Eingang angelegtes Signal bewirkt, dass die Schaltung ihren Zustand ändert. JK-Flipflop-Schaltungen sind bekannt, so dass es nicht notwendig ist, sie im einzelnen zu beschreiben. Diese Ausgangs signale werden jeweils über die Leiter 327 und 333 an das UND-Gatter 321 angelegt. Das UND-Gatter 321

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enthält eine Umkehreinrichtung in seinem Ausgangskreis und erzeugt somit ein Ausgangs signal, das eine logische Eins darstellt. Dieses Signal, das eine logische Eins darstellt, sphaltet den Transistor 320 ein und bewirkt die Leitung im Transistor, die ihrerseits die Feldeffekttransistoren 314 und 3.15 in einen nichtleitenden Zustand bringt. Der Ausgang des UND-Gatters 321 wird durch die Umkehreinrichtung 319 umgekehrt und damit der Transistor 318 in einen nichtleitenden Zustand gebracht, der erlaubt, dass die Feldeffekttransistoren 311 und 312 durch die negative Quelle 315 in einen leitenden Zustand gebracht werden. Damit wird, wie oben beschrieben., die infolge des analogen Signals vorhandene Ladung auf dem Speicherkondensator 313 gespeichert.

Eine Analog-Digitalwandlung wird durch Betätigung des Startknopfschalters 324 eingeleitet. Hierdurch wird der monostabile Multivibrator 322 in seinen quasi stabilen Zustand gebracht. Der monostabile Multivibrator 322 erzeugt während seines quasi stabilen Zustands einen Ausgangsimpuls, der eine logische Eins darstellt. Dieses Signal wird über den Leiter 328 und den Kippeingang 325 an die JK-Flipflop Schaltung 330 angelegt, um sie einzustellen. Dieser Ausgang mit einer logischen Eins wird ferner über den Leiter 327 an das UND-Gatter angelegt. Der Ausgang der eingestellten JK-Flipflop-Schaltung 330 auf

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den Leiter 351 stellt eine logische Null dar, so dass das UND-Gatter 321 ausser Tätigkeit gesetzt wird. Der umgekehrte Ausgang des UND-Gatters 321 bringt den Transistor 320 in einen nichtleitenden Zustand. Damit werden die Feldeffekttransistoren 314 und 315 zum Leiten gebracht. Der Feldeffekttransistor 31.6 befindet sich zur gleichen Zeit im nichtleitenden Zustand und erlaubt damit die Übertragung von Ladung vom Speicher kondensator 313 zum integrierenden Kondensator 330.

Das Ausgangs signal des monostabilen Multivibrators 322 im quasi stabilen Zustand wird ferner über die Leiter 338 an die UND-Gatter 334 und 335 angelegt, so dass die Übertragung in den Gattern ausser Tätigkeit gesetzt wird. Die UND-Gatter 334 und 335 sind ferner mit dem Komparator 340 verbunden. Wenn die UND-Gatter 334 und 335 ausser Tätigkeit sind, kommen die Transistoren 3 64 und 3 65 in einen nichtleitenden Zustand. Die Transistoren 366 und 367 sind ihrerseits im nichtleitenden Zustand. Die Transistoren 3 66 und 367 unterbrechen im nichtleitenden Zustand das Anlegen der Referenzströme, die von den Potentiometern 3 97 und 3 98 geliefert werden, welche durch die positiven und negativen Quellen 368 und 3 69 mit Energie versorgt werden, um den integrierenden Kondensator 331 zu entladen. Damit werden während der Ladungsübertragung die von dem Rückkopplungssystem gelieferten Referenzströme unterbrochen.

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Am Ende der Ladungsübertragung kommt der monostabile Multivibrator 322 in seinen stabilen Zustand und erzeugt ein Ausgangs signal, das eine logische Null darstellt. Dieses Signal geht über den Leiter 328 zum Kippeingang 325 der JK-Flipflop-Schaltung 330. Die JK-Flipflop-Schaltung wird daraufhin eingestellt und legt ihrerseits ein Signal an das UND-Gatter 341 an, das die Übertragung von durch die Impulsquelle 342 erzeugten Zeitimpulsen zum Impulszähler 343 bewirkt. Der Ausgang des monostabilen Multivibrators 322 betätigt die UND-Gatter 334 und 335 und setzt damit die selektive Übertragung des von den Potentiometern 3 9? und 3 98 gelieferten Referenzstroms zum integrierenden Kondensator 331 unter dem Einfluss des Ausgangs signals des Komparators 340 in Tätigkeit. Dieser Referenzstrom geht zum integrierenden Kondensator 331, bis er entladen ist, woraufhin das Ausgangssignal des Komparators 340 seinen Zustand ändert. Die Änderung des Zustande des Ausgangssignals des Komparators 340 geht über die Leiter 347 oder 349 des Rückkopplungssystems und die Umkehreinrichtung 359 zum Rückstelleingang 344 der JK-Flipflop-Schaltung 330. Hierdurch wird die JK-Flipflop-Schaltung 330 rückgestellt und das UND-Gatter 341 ausser Tätigkeit gesetzt, wobei das Anlegen von Impulsen der Impulsquelle 342 an den Zähler 343 unterbrochen wird. Die Anzahl der vom Zähler gezählten Impulse ist der Grosse der

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in die digitale Form umzuwandelnden analogen Spannung direkt proportional. ·

Wenn auch das Prinzip der Erfindung anhand einer speziellen Ausführung beschrieben wurde, so können vom Fachmann doch Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen.

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Claims

19/8495 Patentansprüche

1. Analog-Digitalwandler bestehend aus

einem Operationsintegrator mit einem, integrierenden Rückkopplungs kondensator, , . ^=«-^

einem Komparator, dessen Ausgangspolarität durch den Ausgang des Operationsintegrators gesteuert wird,

einer Referenzstromquelle, die mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, um den Rückkopplungskondensator mit einer geregelten Geschwindigkeit zu entladen, ^ _t ... ,u_K,w. "iv""' einer Zeitschaltung, die mit dem Ausgang des !Comparators verbunden ist, um die Entla dungs zeit des Rückkopplungskondensators zu messen, einer Schaltung, um das Anlegen des analogen Signals an den Operationsintegrator zu steuern,

einer Einrichtung, um die Referenzstromquelle während des Anlegens des Signals an den Operationsintegrator ausser Tätigkeit zu setzen, dadurch gekennzeichnet, dass

die Polarität der Referenzstromquelle durch die Ausgangspolarität des Komparators gesteuert wird, so dass die Wirkungen von Fremdströmen kompensiert werden.

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2. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Schaltung zum Steuern des Anlegens des analogen Signals an den Operationsintegrator besteht aus

einem Ladungsspeicherkondensator (115), dessen eine Klemme mit dem Eingang des Operationsintegrators verbunden ist, einer ersten Umschaltschaltung (112), um den analogen Signaleingang

f und die zweite Klemme des Ladungsspeicherkondensator-s nur während

der Anlegezeit des analogen Signals miteinander zu verbinden, einer zweiten Umschaltschaltung (113), um die zweite Klemme des Ladungsspeicherkondensators nach der AnIe ge zeit des analogen Signals für eine vorbestimmte Periode mit der Erde zu verbinden, so dass die Übertragung von Ladung vom Ladungsspeicherkondensator zum integrierenden Rückkopplungskondensator ermöglicht wird, und eine Schaltung zur Steuerung der Arbeitsweise der ersten und der zweiten Umschaltschaltung.

3. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Schaltung zum Steuern des Anlegens des analogen Signals an den Operationsintegrator besteht aus
einem ersten Kondensator (214)

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einer ersten Umschaltschaltung, die den ersten Kondensator während der Periode des Anlegens des analogen Signals mit dem analogen Signaleingang verbindet,

einem zweiten Kondensator (247), dessen erste Klemme mit dem Eingang des Operationsintegrators verbunden ist, einer zweiten Umschaltschaltung, die während einer ersten Ladungsübertragungsperiode die eine Klemme des ersten Kondensators (214) mit der zweiten Klemme des zweiten Kondensators (247) und. die andere Klemme des ersten Kondensators mit der Erde verbindet, so dass die Ladungsübertragung vom ersten Kondensator (214) zum zweiten Kondensator (247) ermöglicht wird, und

einer dritten Umschaltschaltung, die während einer zweiten Ladungsübertragungsperiode die zweite Klemme des zweiten Kondensators (247) und die Erde verbindet, so dass die Übertragung von Ladung vom zweiten Kondensator (247) zum integrierenden Rückkopplungskondensator (219) ermöglicht wird.

4. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass

die Referenz stromquelle und die Einrichtung zum Aussertätigkeitsetzen der Referenzstromquelle bestehen aus einer ersten Gatterschaltung mit einem Ausgang, einem Stromeingang,

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einem Gattereingang und einem Sperreingang, deren Ausgang mit dem Eingang des Operationsintegrators und deren Gattereingang mit dem Ausgang des Komparators verbunden sind,

einer ersten Stromquelle mit einer gegebenen Polarität, die zwischen den Stromeingang der ersten .Gatterschaltung und die Erde geschaltet

einer zweiten Gatterschaltung mit einem Ausgang, einem Stromeingang, einem Gattereingang und einem Sperreingang, deren Ausgang mit dem Eingang des Operationsintegrators verbunden ist, einer zweiten Stromquelle mit entgegengesetzter Polarität wie die erste Stromquelle, die zwischen den Stromeingang der zweiten Gattersehal^· tung und die Erde geschaltet ist,

einer Umkehreinrichtung, die zwischen den Ausgang des Signalkomparators und den Gattereingang der zweiten Gatterschaltung geschaltet ist, und einer Steuerschaltung, die'mit den Sperreingängen der ersten und der zweiten Gatterschaltung verbunden ist, um beide Gatterschaltungen während der Perioden der Ladungsübertragung ausser Tätigkeit zu setzen.

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