DE19728037A1

DE19728037A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umsetzung eines Digitalwertes in einen Analogwert

Info

Publication number: DE19728037A1
Application number: DE19728037A
Authority: DE
Inventors: Norbert Penz
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1997-07-01
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: DE19728037B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung eines Digitalwertes in einen Analogwert in Form einer elektrischen Spannung durch Pulsweitenmodulation des Digitalwertes und nachfolgende Glättung sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren zur Umsetzung eines Digitalwertes in einen Analogwert in Form einer elektrischen Spannung ist aus der DE 42 33 410 C1 bekannt. Ein Digitalwert wird in eine periodische pulsweitenmodulierte Rechteckspannung umgeformt Ein Filter bildet den zeitlichen Mittelwert der Rechteck spannung. Die Ausgangsspannung des Filters ist die Ausgangs größe der Digital/Analog-Umsetzung. Die Güte dieser Spannung wird einerseits von der Auflösung des Pulsweitenmodulators und andererseits von der Dynamik des Filters bestimmt. Dabei schließen sich eine hohe Auflösung und eine gute Dynamik gegenseitig aus. Die Auflösung ist durch die maximale Anzahl der in einer Periode möglichen Einzelimpulse bestimmt. Eine Erhöhung der Anzahl der Einzelimpulse pro Periode bei gege bener Dauer eines Einzelimpulses erhöht zwar die Auflösung, verlängert aber gleichzeitig die Periodendauer. Dies bedeutet eine Verringerung der Frequenz der pulsweitenmodulierten Rechteckspannung und führt zu einer Verschlechterung der Dynamik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, das eine hohe Auflösung bei einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Dynamik erlaubt.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die Ansprüche 2 und 4 gelöst. Durch die Aufteilung des Digital wertes in zwei Anteile und die darauffolgende Pulsweiten modulation der beiden Anteile wird einem ersten Analogwert mit hoher Dynamik aber grober Auflösung ein zweiter Analogwert überlagert. Der zweite Analogwert verbessert die Gesamt auflösung. Die Größe des zweiten Analogwertes entspricht maximal einem Schritt des ersten Analogwertes. Durch die Überlagerung der beiden Analogwerte wird die Auflösung des ersten Analogwertes verbessert. Dabei bleibt die Dynamik im Rahmen der Auflösung des ersten Analogwertes erhalten. In einer ersten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens sind die beiden Anteile des Digitalwertes je einem Pulsweitenmodulator mit nachgeschaltetem Tiefpaß filter zugeführt. Die Ausgangsspannungen der Tiefpaßfilter werden zunächst jeweils getrennt geglättet und danach unter Berücksichtigung der Wertigkeiten der Anteile des Digital wertes summiert. In einer zweiten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die pulsweitenmodu lierten Rechteckspannungen verschiedenen Eingängen eines aktiven Tiefpaßfilters mit mehreren Eingängen zugeführt, das die pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen sowohl glättet als auch unter Berücksichtigung der Wertigkeiten der beiden Anteile des Digitalwertes summiert. Diese Vorrichtung hat einen besonders geringen Bauteileaufwand.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtungen zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unter ansprüchen gekennzeichnet. Die Verwendung eines Operations verstärkers, der mit einem Rückführwiderstand und mit je einem Eingangswiderstand für jeden Eingang beschaltet ist, ermög licht auf einfache Weise eine Berücksichtigung der Wertig keiten der Anteile des Digitalwertes bei der Summierung. Durch eine konstante Spannung, die dem Operationsverstärker über einen weiteren Eingangswiderstand zugeführt ist, läßt sich auf einfache Weise eine Nullpunktverschiebung der analogen Ausgangsspannung des Digital/Analog-Umsetzers erreichen. Dient ein Microcontroller zur Verarbeitung von Digitalwerten, kann die Aufteilung des in einen Analogwert umzusetzenden Digital wertes in einen höherwertigen und einen niederwertigen Anteil durch den bereits vorhandenen Microcontroller erfolgen. Sofern in den verwendeten Microcontroller bereits Pulsweitenmodulato ren integriert sind, ist es vorteilhaft, diese zur Umsetzung der beiden Anteile des Digitalwertes in pulsweitenmodulierte Rechteckspannungen zu verwenden. In diesem Fall brauchen an den Microcontroller nur noch Einrichtungen zum Glätten und Summieren der Rechteckspannungen angeschlossen zu werden. Im einfachsten Fall genügt hierfür ein aktives Tiefpaßfilter mit mehreren Eingängen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens beschrieben sind, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Speicher zur Speicherung eines Digitalwertes in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer ersten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der impulsweitenmodulierten Rechteckspannungen und

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen digitalen Speicher 1 mit sechzehn binären Speicherzellen zur Speicherung eines Digitalwertes. In den einzelnen Speicherzellen werden jeweils die Werte "0" oder "1" gespeichert. Der Digitalwert ist die Summe der Produkte, die aus den in den Speicherzellen gespeicherten Werten und den den einzelnen Speicherzellen zugeordneten Zweierpotenzen gebildet sind. Die gespeicherten Werte sind in der rechten Spalte des Speichers 1 angegeben. In der linken Spalte sind die diesen Werten zugehörigen Wertig keiten angegeben. Mit sechzehn Speicherzellen ist ein Bereich zwischen 0 und 2¹⁶ -1 = 65535 darstellbar. In dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel wird von einem Digitalwert DW ausgegangen, der nur 2¹⁴ = 16384 verschiedene Werte annehmen kann. In diesem Fall werden für die Speicherung des Digitalwertes DW nur die Speicherzellen mit den Wertigkeiten 2⁰ bis 2¹³ benötigt. Durch Auslesen der Speicherzellen mit den Wertigkeiten 2⁸ bis 2¹³ und Zuordnung zu den Wertigkeiten 2⁰ bis 2⁵, wobei die Wertigkeiten jeweils durch 2⁸ dividiert werden, erhält man einen ersten Anteil DW1 des Digitalwertes DW. Der erste Anteil DW1 ist der höherwertige Anteil des Digitalwertes DW. Durch Auslesen der Speicherzellen des Speichers 1 mit den Wertigkeiten 2⁰ bis 2⁷ erhält man einen zweiten Anteil DW2 des Digitalwertes DW. Der Anteil DW2 ist der niederwertige Anteil des Digitalwertes DW. Für den Digitalwert DW gilt die Beziehung DW = (2⁸ × DW1) + DW2. Der höherwertige Anteil DW1 des Digitalwertes DW kann 2⁶ = 64 verschiedene Werte annehmen, also Werte zwischen 0 und 63. Der niederwertige Anteil DW2 des Digitalwertes DW kann 2⁸ = 256 verschiedene Werte annehmen, also Werte zwischen 0 und 255. Der Speicher 1 dient sowohl als Speichermittel für den Digitalwert DW als auch als Speichermittel für dessen höher wertigen Anteil DW1 und dessen niederwertigen Anteil DW2.

Im folgenden wird als Beispiel die Umsetzung des Digitalwertes DW = 10432 in einen Analogwert beschrieben. Der Digitalwert DW ist in dem Speicher 1 als 14stelliger Binärwert 10100011000000 gespeichert. Die entsprechenden Werte sind in der rechten Spalte des Speichers 1 angegeben. Ein "X" für die Werte der Speicherzellen mit den Wertigkeiten 2¹⁴ und 2¹⁵ gibt an, daß diese Werte "0" oder "1" sein können, da diese Werte in dem Ausführungsbeispiel nicht verwendet werden. Werden die Inhalte der Speicherzellen mit den Wertigkeiten 2⁸ bis 2¹³ ausgelesen und - wie oben beschrieben - den Wertigkeiten 2⁰ bis 2⁵ zuge ordnet, ergibt sich die Binärzahl 101000 entsprechend der Dezimalzahl 40 für den höherwertigen Anteil DW1 des Digital wertes DW. Die Änderung der Wertigkeiten entspricht einer Division des Digitalwertes DW durch 2⁸ = 256. Der nieder wertige Anteil DW2 des Digitalwertes DW ergibt sich aus den Werten der Speicherzellen mit den Wertigkeiten 2⁰ bis 2⁷ als Binärzahl 11000000 entsprechend der Dezimalzahl 192.

In der Fig. 2 ist der höherwertige Anteil DW1 des Digital wertes DW einem ersten Pulsweitenmodulator 2 zugeführt. Der niederwertige Anteil DW2 des Digitalwertes DW ist einem zweiten Pulsweitenmodulator 3 zugeführt. Die Pulsweiten modulatoren 2 und 3 sind - ebenso wie der nur in der Fig. 1 dargestellte Speicher 1 - Bestandteile eines Microcontrollers 4. Den Pulsweitenmodulatoren 2 und 3 ist eine konstante Spannung U_R als Referenzspannung zugeführt. Soweit die Puls weitenmodulatoren 2 und 3 Bestandteile eines Microcontrollers 4 sind, ist es möglich, als Referenzspannung U_R eine der Systemspannungen des Microcontrollers 4 zu verwenden, wenn diese Spannung ausreichend konstant ist. Microcontroller mit integrierten Pulsweitenmodulatoren werden z. B. von der Firma Motorola hergestellt und unter der Bezeichnung "MC 683xx" (z. B. "MC 68332", "MC 68336") vertrieben.

Am Ausgang des Pulsweitenmodulators 2 steht eine erste periodische Rechteckspannung u₁ an. Der zeitliche Verlauf der Rechteckspannung u₁ ist in der Fig. 3a als ausgezogene Linie dargestellt. Während eines ersten Zeitraumes t_1ein der im folgenden mit T₁ bezeichneten Periodendauer der Rechteck spannung u₁ ist die Rechteckspannung u₁ gleich der Spannung U_R und während des restlichen, mit t_1aus bezeichneten Zeitraumes der Periodendauer T₁ ist die Rechteckspannung u₁ gleich null.

Ein Tiefpaßfilter 5 bildet den arithmetischen Mittelwert der Rechteckspannung u₁. Die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters 5 ist mit u₃ bezeichnet und in der Fig. 3a als gestrichelte Linie dargestellt. Für die Spannung u₃ gilt die Beziehung u₃ = α₁ × U_R, wobei mit α₁ das dem höherwertigen Anteil DW1 des Digitalwertes DW entsprechende Tastverhältnis t_1ein/T₁ des Pulsweitenmodulators 2 bezeichnet ist. In Abhängigkeit von der Größe des Tastverhältnisses α₁ nimmt die Spannung u₃ Werte zwischen 0 und U_R an. In dem in der Fig. 3a dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Tastverhältnis α₁ = 40/64 entsprechend dem höherwertigen Anteil DW1 des Digitalwertes DW.

Am Ausgang des Pulsweitenmodulators 3 steht eine zweite periodische Rechteckspannung u₂ an. Der zeitliche Verlauf der Rechteckspannung u₂ ist in der Fig. 3b als ausgezogene Linie dargestellt. Während eines ersten Zeitraumes t_2ein der im folgenden mit T₂ bezeichneten Periodendauer der Rechteck spannung u₂ ist die Rechteckspannung u₂ gleich der Spannung U_R und während des restlichen, mit t_2aus bezeichneten Zeitraumes der Periodendauer T₂ ist die Rechteckspannung u₂ gleich null. Ein Tiefpaßfilter 6 bildet den arithmetischen Mittelwert der Rechteckspannung u₂. Die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters 6 ist mit u₄ bezeichnet und in der Fig. 3b als gestrichelte Linie dargestellt. Für die Spannung u₄ gilt die Beziehung u₄ = α₂ × U_R, wobei mit α₂ das dem niederwertigen Anteil DW2 des Digitalwertes DW entsprechende Tastverhältnis t_2ein/T₂ des Pulsweitenmodulators 3 bezeichnet ist. In Abhängigkeit von dem Tastverhältnis α₂ nimmt die Spannung u₄ Werte zwischen 0 und U_R an. In dem in der Fig. 3b dargestellten Ausführungs beispiel beträgt das Tastverhältnis α₂ = 192/256 entsprechend dem niederwertigen Anteil DW2 des Digitalwertes DW. Ist das Tastverhältnis α₂ = 256/256, so entspricht dieses Tastver hältnis einer Erhöhung des Tastverhältnisses α₁ um 1/64.

Wie in der Fig. 2 dargestellt, sind die Ausgangsspannungen u₃ und u₄ der Tiefpaßfilter 5 bzw. 6 einer analogen Rechen schaltung 7 zugeführt. Die Rechenschaltung 7 weist einen Operationsverstärker 8 auf, dessen invertierender Eingang mit einem Rückführwiderstand 9 und mit drei Eingangswiderständen 10, 11 und 12 beschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 8 ist mit Bezugspotential verbunden. Die mit u_a bezeichnete Ausgangsspannung der Rechenschaltung 7 ist der Analogwert, in den der Digitalwert DW umgesetzt wird. Aufgrund der invertierenden Arbeitsweise des Operations verstärkers 8 gilt für die Spannung u_a die Beziehung

u_a = -[(u₃ × R₉/R₁₀) + (u₄ × R₉/R₁₁) + (U₀ × R₉/R₁₂)]

mit u₃ = α₁ × U_R und u₄ = α₂ × U_R Mit U₀ ist eine konstante Spannung bezeichnet, die - wie weiter unten erläutert - eine Verschiebung des Nullpunktes der Spannung u_a erlaubt. Zunächst wird der Fall betrachtet, daß keine Nullpunktverschiebung erfolgt. In diesem Fall ist U₀ = 0. Werden die Widerstände 9 bis 11 so dimensioniert, daß die Beziehungen R₉/R₁₀ = 1 und R₉/R₁₁ = 1/64 erfüllt sind, ist die Spannung u_a = U_R × (α₁ + α₂/64). Die Spannung u_a setzt sich aus einem Grobwert U_R × α₁ mit einer Auflösung von 6 Bit und aus einem Feinwert U_R × α₂/64 mit einer Auflösung von 8 Bit zusammen. Der Grobwert der Spannung u_a folgt dem Digitalwert DW mit großer Dynamik, wobei hinsichtlich der Auflösung im ungünstig sten Fall zunächst ein Fehler von maximal einem Schritt der Auflösung des Digitalwertes DW von 6 Bit (entsprechend 1/64, d. h. ca. 1,6%) auftreten kann. Dieser Fehler verringert sich entsprechend der Dynamik des Feinwertes, wobei die Dynamik des Feinwertes von der Auflösung des Feinwertes abhängt. Auch hier gilt, daß eine Erhöhung der Auflösung eine Verschlechterung der Dynamik zur Folge hat. Die Höhe der Referenzspannung U_R bestimmt die Höhe der Spannung u_a. Eine Erhöhung der Spannung u_a gegenüber der Referenzspannung U_R läßt sich erreichen, wenn das Widerstandsverhältnis R9/R10 größer als 1 gewählt wird und das Widerstandsverhältnis R9/R11 so gewählt wird, daß weiter hin die Beziehung R9/R11 = 64 × (R9/R10) gilt.

Mit U₀ ist eine konstante Spannung bezeichnet, die dem inver tierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 über den Widerstand R12 zugeführt ist. Die Spannung U₀ erlaubt eine Verschiebung des Nullpunktes der Spannung u_a. Die Richtung der Nullpunktverschiebung ist durch das Vorzeichen der Spannung U₀ bestimmt. Die Größe der Nullpunktverschiebung ist durch die Höhe der Spannung U₀ und das Widerstandsverhältnis R9/R12 bestimmt.

Im folgenden wird der Systemtakt des Microcontrollers 4 für die Pulsweitenmodulation verwendet. Dabei wird als kleinste Zeiteinheit für die Pulsweitenmodulation die Zeit zwischen zwei steigenden Flanken des Systemtaktes zugrunde gelegt. Bei einem Systemtakt von 20 MHz ergibt sich für die Zeit zwischen zwei steigenden Flanken zu 0,1 µs. Die Periodendauer T₁ der Spannung u₁ beträgt somit bei der gewählten Auflösung von 6 Bit 2⁶ × 0,1 µs = 6,4 µs. Die Frequenz f₁ = 1/T₁ der Spannung u₁ ist dann 1/6,4 µs = 156,25 kHz. Entsprechend ergibt sich die Periodendauer T₂ der Spannung u₂ bei der gewählten Auflösung von 8 Bit zu 2⁸ × 0,1 µs = 25,6 µs. Die Frequenz f₂ = 1/T₂ der Spannung u₂ ist dann 1/25,6 µs = 39,0625 kHz. Auch diese Frequenz ist noch wesentlich kleiner als diejenige Frequenz, die sich bei einer Digital/Analog-Umsetzung mit einer Auflösung des Digitalwertes DW von 14 Bit mit nur einem Pulsweitenmodulator ergeben würde. Legt man für diese Betrachtung ebenfalls einen Systemtakt von 20 MHz zugrunde, wobei die Zeit zwischen zwei steigenden Flanken 0,1 µs beträgt, ergibt sich bei einer Auflösung von 14 Bit eine Periodendauer von 2¹⁴ × 0,1 µs = 1638,4 µs = 1,6384 ms. Diese Periodendauer entspricht einer Frequenz von ca. 610 Hz.

In der Fig. 2 glätten die Tiefpaßfilter 5 und 6 zuerst die pulsweitenmodulierten Spannungen u₁ und u₂. Danach summiert die Rechenschaltung 7 die geglätteten Spannungen u₃ und u₄ unter Berücksichtigung ihrer Wertigkeiten zu der Ausgangs spannung u_a. Die Tiefpaßfilter 5 und 6 sowie die Rechen schaltung 7 sind zu einem Block 13 zusammengefaßt, in dem Glättung und Summierung erfolgen.

Die Fig. 4 zeigt das Prinzipschaltbild einer zweiten Vorrich tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der in der Fig. 2 darge stellten Vorrichtung durch die zur Glättung und Summierung dienende Schaltungsanordnung. In der Fig. 4 ist anstelle des Blockes 13 ein aktives Tiefpaßfilter 14 mit mehreren Eingängen 15 bis 17 vorgesehen, das die Spannungen u₁ und u₂ glättet und gleichzeitig unter Berücksichtigung ihrer Wertigkeiten summiert. Die Spannung u_a ist der Analogwert des umzusetzenden Digitalwertes DW. Die Spannungen u₁ und u₂ sind den Eingängen 15 bzw. 16 des aktiven Tiefpaßfilters 14 zugeführt. Dem Eingang 17 des aktiven Tiefpaßfilters 14 ist die konstante Spannung U₀ zur Nullpunktverschiebung der Ausgangsspannung u_a zugeführt.

Das aktive Tiefpaßfilter 14 ist als Tiefpaßfilter zweiter Ordnung mit Mehrfachgegenkopplung ausgeführt. Wie die Rechen schaltung 7 in der Fig. 2 ist der Operationsverstärker 8 mit einem Rückführwiderstand 9 und drei Eingangswiderständen 10, 11 und 12 beschaltet. Die Wertigkeiten der Anteile DW1 und DW2 des Digitalwertes DW werden - wie im Zusammenhang mit der Fig. 2 beschrieben - durch Dimensionierung des Rückführwider standes 9 und der jeweiligen Eingangswiderstände 10 bzw. 11 berücksichtigt. Der gemeinsame Schaltungspunkt der Widerstände 9 bis 12 ist über einen weiteren Widerstand 18 mit dem inver tierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 und über einen ersten Kondensator 19 mit dem Bezugspotential verbunden. Ein weiterer Kondensator 20 ist zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 8 ange ordnet. Der nicht invertierende Eingang des Operations verstärkers 8 ist über einen Widerstand 21 mit dem Bezugs potential verbunden.

Anstelle der Tiefpaßfilter 5 und 6 der in der Fig. 2 darge stellten Vorrichtung werden in der in der Fig. 4 dargestell ten Vorrichtung lediglich zwei zusätzliche Widerstände 18 und 21 sowie zwei zusätzliche Kondensatoren 19 und 20 benötigt. Zur Gleichtaktunterdrückung wird man üblicherweise auch bei der Realisierung der in der Fig. 2 dargestellten Vorrichtung einen Widerstand 21 zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 und dem Bezugspotential vorsehen, so daß sich die Anzahl der zusätzlich erforderlichen Bauteile weiter verringert.

Die Dimensionierung eines aktiven Tiefpaßfilters zweiter Ordnung mit Mehrfachgegenkopplung ist in dem Buch von U. Tietze und Ch. Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", ISBN 3-540-16720-X, 8. Auflage, Springer-Verlag 1986, auf den Seiten 404 und 405 beschrieben. Allein durch entsprechende Dimensionierung lassen sich unterschiedliche Filtertypen realisieren. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den aktiven Tiefpaß als Bessel-Tiefpaßfilter zu realisieren. Bessel- Tiefpaßfilter besitzen ein gutes Rechteckübertragungs verhalten. Die Sprungantwort eines Bessel-Tiefpaßfilters schwingt nur minimal über, falls es überhaupt zu einem Überschwingen kommt. Bei einem aktiven Tiefpaß zweiter Ordnung ist der Bauteileaufwand trotz guter Filterwirkung nur gering. Um eine optimale Glättung der Spannung u_a durch das aktive Tiefpaßfilter 14 zu erzielen, wird bei der Dimensionierung der Bauteile, mit denen der Operationsverstärker 8 beschaltet ist, der Eingangswiderstand 10 bevorzugt berücksichtigt, über den die dem höherwertigen Anteil DW1 des Digitalwertes DW entsprechende Spannung u₁ dem aktiven Tiefpaßfilter 14 zugeführt ist.

In der Fig. 2 werden die Ausgangsspannungen u₁ und u₂ der Pulsweitenmodulatoren 2 bzw. 3 direkt den Tiefpaßfiltern 5 und 6 zugeführt. Dabei beeinflußt eine Temperaturabhängigkeit der Spannung U_R die Höhe der Spannung u_a. Das gleiche gilt für die Fig. 4, wo die Ausgangsspannungen u₁ und u₂ der Pulsweiten modulatoren 2 bzw. 3 direkt den Eingängen 15 und 16 des aktiven Tiefpaßfilters 14 zugeführt sind. Werden die Spannungen u₁ und u₂ dagegen als Steuerspannungen für in den Fig. 2 und 4 nicht dargestellte elektronische Schalter verwendet, die in der Fig. 2 die Tiefpaßfilter 5 und 6 oder in der Fig. 4 die Eingänge 15 und 16 des aktiven Tiefpaß filters 14 in Abhängigkeit von den beiden möglichen Werten der Spannungen u₁ und u₂ entweder mit dem Bezugspotential verbindet oder mit einer konstanten Spannung beaufschlagt, wirkt sich eine Temperaturabhängigkeit der Spannung U_R nicht mehr nachteilig auf die Digital/Analog-Umsetzung aus. In dieser Ausgestaltung setzen die Pulsweitenmodulatoren 2 und 3 die ihnen zugeführten Digitalwerte DW1 und DW2 nur in die Taktverhältnisse α₁ und α₂ um. Erst danach ordnen die von den Pulsweitenmodulatoren 2 und 3 angesteuerten elektronischen Schalter den beiden möglichen Werten der Spannungen u₁ und u₂ zwei exakte Spannungswerte zu. Die beiden möglichen Werte der Spannungen u₁ und u₂ müssen nur größer oder kleiner als ein Schwellenwert sein. Auf die absoluten Werte der Spannungen u₁ und u₂ kommt es dabei nicht an.

Claims

1. Verfahren zur Umsetzung eines Digitalwertes in einen Analogwert in Form einer elektrischen Spannung durch Puls weitenmodulation des Digitalwertes und nachfolgende Glättung, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Digitalwert (DW) in einen höherwertigen Anteil (DW1) und einen niederwertigen Anteil (DW2) aufgeteilt wird,
- daß der höherwertige Anteil (DW1) des Digitalwertes (DW) in eine erste pulsweitenmodulierte Rechteckspannung (u₁) umgesetzt wird,
- daß der niederwertige Anteil (DW2) des Digitalwertes (DW) in eine zweite pulsweitenmodulierte Rechteckspannung (u₂) umgesetzt wird und
- daß die pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen (u₁, u₂) geglättet und unter Berücksichtigung der Wertigkeiten der ihnen zugrundeliegenden Anteile (DW1 bzw. DW2) des Digitalwertes (DW) summiert werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß Speichermittel (1) für den höherwertigen Anteil (DW1) und den niederwertigen Anteil (DW2) des Digitalwertes (DW) vorgesehen sind,
- daß jeder Anteil (DW1, DW2) des Digitalwertes (DW) einem Pulsweitenmodulator (2 bzw. 3) zugeführt ist,
- daß jedem Pulsweitenmodulator (2, 3) ein Tiefpaßfilter (5 bzw. 6) nachgeschaltet ist, das die pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen (u₁, u₂) glättet, und
- daß die Ausgangsspannungen (u₃, u₄) der Tiefpaßfilter (5 bzw. 6) einer Rechenschaltung (7) zugeführt sind, die die Ausgangsspannungen (u₁, u₂) der Tiefpaßfilter (5 bzw. 6) unter Berücksichtigung der Wertigkeiten der Anteile (DW1, DW2) des Digitalwertes (DW) summiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Rechenschaltung (7) einen Operationsverstärker (8) aufweist, der mit einem Rückführwiderstand (9) und je einem Eingangswiderstand (10, 11) für jeden Eingang beschaltet ist, und
- daß die Berücksichtigung der Wertigkeiten der Anteile (DW1, DW2) des Digitalwertes (DW) durch den Quotienten aus dem Rückführwiderstand (9) und dem jeweiligen Eingangswider stand (10 bzw. 11) erfolgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß Speichermittel (1) für den höherwertigen Anteil (DW1) und den niederwertigen Anteil (DW2) des Digitalwertes (DW) vorgesehen sind,
- daß jeder Anteil (DW1, DW2) des Digitalwertes (DW) einem Pulsweitenmodulator (2 bzw. 3) zugeführt ist,
- daß die pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen (u₁, u₂) einem aktiven Tiefpaßfilter (14) mit mehreren Eingängen (15 bzw. 16) zugeführt sind, das die pulsweitenmodulierten Rechteckspannungen (u₁, u₂) sowohl glättet als auch unter Berücksichtigung der Wertigkeiten der Anteile (DW1, DW2) des Digitalwertes (DW) summiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Tiefpaßfilter (14) ein aktives Tiefpaßfilter mit Mehrfachgegenkopplung ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß das aktive Tiefpaßfilter (14) einen Operationsverstärker (8) aufweist, der mindestens mit einem Rückführwiderstand (9) und je einem Eingangswiderstand (10, 11) für jeden Eingang beschaltet ist, und
- daß die Berücksichtigung der Wertigkeiten der Anteile (DW1, DW2) des Digitalwertes (DW) durch den Quotienten aus dem Rückführwiderstand (9) und dem jeweiligen Eingangswider stand (10 bzw. 11) erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß zwischen dem gemeinsamen Schaltungspunkt des Rückführ widerstandes (9) und der Eingangswiderstände (10, 11) sowie dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (8) ein vierter Widerstand (18) angeordnet ist,
- daß zwischen dem gemeinsamen Schaltungspunkt des Rückführ widerstandes (9) und der Eingangswiderstände (10, 11) sowie dem Bezugspotential ein erster Kondensator (19) angeordnet ist,
- daß zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (8) und dessen Ausgang ein zweiter Kondensator (20) angeordnet ist und
- daß zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (8) und dem Bezugspotential ein fünfter Widerstand (21) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (9, 10, 11, 18, 21) und die Kondensatoren (19, 20) des aktiven Tiefpaßfilters (14) in an sich bekannter Weise als Bessel-Tiefpaßfilter dimensioniert sind, wobei das aktive Tiefpaßfilter (14) auf die Frequenz (f₁) der pulsweitenmodulierten Rechteckspannung (u₁) optimiert ist, die ein Maß für den höherwertigen Anteil (DW1) des Digitalwertes (DW) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenschaltung (7) oder dem aktiven Tiefpaßfilter (14) über einen weiteren Eingangswiderstand (12) eine konstante Spannung (U₀) zur Verschiebung des Nullpunktes der analogen Ausgangsspannung (u_a) zugeführt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des in einen Analogwert (u_a) umzusetzenden Digitalwertes (DW) in einen höherwertigen Anteil (DW1) und in einen niederwertigen Anteil (DW2) durch Auslesen von Speicherzellen eines Speichers (1) erfolgt, in denen der Digitalwert (DW) gespeichert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (1) in einen Microcontroller (4) integriert ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsweitenmodulatoren (2, 3) in einen Microcontroller (4) integriert sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Pulsweitenmodulatoren (2, 3) eine Systemspannung (U_R) des Microcontrollers (4) zugeführt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen (u₁, u₂) der Pulsweitenmodulatoren (2, 3) als Steuerspannung für elektronische Schalter dienen, die die Eingänge der Tiefpaßfilter (5, 6; 14) in Abhängigkeit von den beiden möglichen Werten der Ausgangsspannungen (u₁, u₂) der Pulsweitenmodulatoren (2, 3) mit zwei verschiedenen großen konstanten Spannungen beaufschlagen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden konstanten Spannungen das Bezugspotential ist.