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Schaltanordnung zur Anzeige von Uber- oder Unterschrei-
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tungen von Meßwertbereichen bei Analogdigitalwandlern mit Digitalanzeige
Monolitische ADG mit integrierter Ansteuerung einer SCD/IED Anzeige werden in steigendem
Maße verwendet. Den bekannten Vorteilen eines hohen Integrationsgrades steht der
Nachteil gegenüber, daß eine rein digitale Decodierung bestimmter digitaler Anzeigewerte
nur mit erhöhtem Schaltungsaufwand realisierbar ist. Dies wirkt sich besonders bei
batteriebetriebenen Geräten nachteilig aus.
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So macht es beispielsweise Schwierigkeiten, bei Temperaturmessungen
in einfacher Weise eine Anzeige für die Über- und Unterschreitung einer bestimmten
Temperatur zu erhalten oder eine Anzeige für eine 3atteriespannung, die einen vorbestimmten
Wert unterschreitet.
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Die Analogmeßwerte können außer Temperaturen auch Drucke, Intensitäten
von Strahlungen, Konzentrationen von Gasen oder dergl.
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sein. Grundsätzlich kann jeder von einem Meßfühler abgegebene Analogwert
als Eingangsgröße Verwendung finden.
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Gemäß der Erfindung wird nun eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen,
mit der man in schaltungstechnisch einfacher Weise eine zuverlässige Anzeige bei
Uber- und Unterschreitung eines vorbestimmten Meßbereiches erhalten kann. Dies ist
besonders vorteilhaft bei batteriegetriebenen Meßgeräten.
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Die Erfindung geht davon aus, daß bei bestimmten IC'S für A/D Wandler
der Integrationsteil über einen Kondensator gespeist wird, der wegen seiner verhältnismäßig
hohen Kapazität nicht in den monolithischen Chip eingearbeitet werden kann und daher
von außen angeschlossen werden muß.
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Während der Deintegrationsphase des Analog-Digital-Wandlers wird dieser
Kondensator über den Buffer Verstärker mit einer konstanten Referenzspannung geladen.
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Das Zeitintervall, während dem diese Spannung auftritt, ist ein Maß
für die zu integrierende Größe und wird bei der im folgenden zu beschreibenden Schaltung
zur Erzielung der gewünschten Anzeige ausgenützt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung
beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltschema; Fig. 2 ein Schaltschema
eines praktischen Ausführungsbeispiels; Big. 3a bis v7q Pulsdiagramme.
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Fig. 1 zeigt nun das Grundschema einer solchen Schaltung, in der der
Analogdigitalwandler A über die Eingangsklemme 1 mit dem Analogsignal versorgt wird.
Der Analogdigitalwandler enthält als wesentliche Elemente einen Trennverstärker,
d.h. einen Buffer mit Verstärkung = 1, einen Integrationsteil mit Komparator und
einen digitalen Steuer- und Decodierteil, einen Codierteil für die IED/SCD Anzeige
und einen Taktgeber In der beigefügten Zeichnung ist nur der Vorverstärker 2 angedeutet,
da vom Ausgang dieses Vorverstärkers die für die weitere Schaltung benötige Spannung
abgenommen wird. Der Ausgang 3 führt einerseits über einen Widerstand und einen
Kondensator wieder zu einer Eingangsklemme 4 des Analogdigitalwandlers, von wo aus
er dem Integrationsteil zugeführt wird Die so integrierte Spannung wird dann decodiert
und einer LCD oder LED Anzeige zugeführt Diese Teile sind nicht eingezeichnet, weil
sie für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung sind Die am Ausgang 3 abgenommene
Spannung wird dann einem Komparator K zugeführt, dem gleichzeitig am anderen Eingang
eine Referenz spannung in vorbestimmter Höhe zugeleitet wird Währena der Deintegrations
phase erscheint am Ausgang des Komparators K ein Signal, das
einem
Zähler Z zugeführt wird. Auf diesem Zähler wird gleichzeitig ein Taktsignal gegeben.
Wenn ein A/D Wandler verwendet wird, der eine Ausgangsklemme für ein solches Taktsignal
hat, so kann es dort abgenommen werden, jedoch ist auch ein externer Taktgenerator
verwendbar. Solange das vom Komparator K liegende Signal anliegt, werden von diesem
Zähler die Taktimpulse gezählt.
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Wird nun der vorbestimmte Wert erreicht, dann treten an den Ausgängen
des Zählers Z Signale auf, die auf ein NAND-Gatter gegeben werden, das dann bei
vorbestimmtem Zählerstand ebenfalls ein Signal abgibt. Dieses Signal wird unmittelbar
zur Anzeige der Neßbereichüberschreitung verwandt.
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Im folgenden wird eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltanordnung beschrieben. In Fig. 2 ist ein Analogdigitalwandler A gezeigt. Als
Analogdigitalwandler eignen sich z.B. die Typen 101' 7106 und 101' 1707 von Intersil.
Der Bufferausgang 28 dieses A/D Wandlers liefert das Eingangssignal für die Schaltung.
An diesem Bufferausgang 28 tritt während der Deintegrationszeit tx ein positives
Signal auf, wenn dem A/D Wandler eine positive Eingangsspannung zugeführt wird.
Die Signale am Eingang 27 des A/D 27, der zum Integrationsteil des A/D Wandlers
führt, sowie die Signale am Ausgang 28 sind aus Fig. 2a und b ersichtlich. Werden
dem A/D Wandler negative Eingangssignale zugeführt, dann sind auch die am Ausgang
28 auftretenden Signale negativ, entsprechen jedoch in ihrer Zeitdauer ebenfalls
der Deintegrationsphase tx.
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Die bei 28 abgenommenen Signale werden nun über einen Widerstand F
einem Komparator KA zugeführt. Dem anderen Eingang des Eomparators KA wird über
einen Spannungsteiler, der aus den Widerständen R2 und R3 besteht, eine Spannung
zugeführt, die die Ansprechschwelle des Eomparators EA bestimmt. Wenn vom Ausgang
28 ein positives Signal abgegeben wird, dann erscheint am Auszwang des Komparators
KA das Signal 0. Gleichzeitig wird auch vom ausgang 28 dem Komparator KB über den
Widerstand R4 das Buffersignal
zugeführt. Der Komparator EB spricht
nur auf negative Signale an und solche Signale werden ihm vom Ausgang des Komparators
KA über die Diode D zugeführt. Gleichzeitig erhält der Komparator KB eine Referenzspannung,
die von einem Spannungsteiler abgenommen wird, der aus den Widerständen R5 und R6
besteht. Diese Referenzspannung bestimmt das Ansprechverhalten des Komparators EB.
Die Ausgangsspannungen der Komparatoren EA und EB sind in der Fig. 2 und 2 dargestellt.
R2 und R5 sind an die Common Klemme 32 des A/D Wandlers A angeschlossen, die den
Bezugspunkt für analoge Null Volt darstellt.
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Da der Signaleingang des Komparators EB invertierend ist, so geht
das Ausgangssignal dieses Komparators KB während der Zeiten tx auf logisch 1 und
triggert mit seiner positiven Flanke das oggle-Flip-Flop FFA. Wenn das Eingangssignal
zum A/D Wandler negativ ist, was beispielsweise auftreten kann, wenn Temperatoren
gemessen werden und die Temperaturen von positiven zu negativen Werten übergeht,
dann wird, wie oben ausgeführt, die Polarität der am Ausgang 28 abgegebenen Signale
negativ.
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In diesem Fall spricht nur der Komparator KB mit seinem invertierenden
Eingang an, während der Komparator KA nicht mehr getriggert wird, so daß sein Ausgang
ständig auf logisch 1 liegt.
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Für die Deintegrationszeit tx gibt nun der Komparator KA den Clear-Eingang
des Zählers Z, beispielsweise eines 12-bit-zählers frei und der Zähler beginnt die
Taktimpulse zu zählen, die von der Ausgangsklemme 38 des A/D Wandlers abgegeben
werden. Diese Ausgangsklemme ist an einen Oszillator angeschlossen, der beispielsweise
50 kH-Pulse liefert. Sollte keine geeignete Ausgangsklemme für eine solche Frequenz
vorhanden sein, dann kann auch ein extern angeordneter Oszillator Verwendung finden.
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Der in diesem Ausführungsbeispiel angenommene 12-bit-Zähler ist mit
drei Ausgängen an das NAND-Gatter NAND A angeschlossen. Diese Ausgänge entsprechen
den binären Wertigkeiten 28, 29 und 210.
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Bei Uberschreiten des Zählstandes 256 + 512 + 1024 = 1792 liefert
der Ausgang des Gatters NAND A den Takteingang des Flip-Flops
FFB
einmal pro Integrationsphase ein negativ gehendes Signal, das in Fig. 3f dargestellt
ist.
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Wenn nun Meßwerte gemessen werden, die innerhalb derxorge schriebenen
Meßwertgrenzen liegen, die im vorliegenden Fall als zwischen Null und einem Wert
liegend angesehen werden, der dem oben angegebenen Zählerstand entspricht, dann
sind die Signale, die an den Klemmen 20 und 21 (Back Plane und Polarity) des A/D
Wandlers abgegeben werden, gegenphasig. Die Klemme 21 ist mit einem Eingang eines
Exklusiv- ODER-Gatters EX-OR 1 verbunden, an dessen anderem Eingang eine positive
Spannung liegt. Der Ausgang des EX-OR 1 führt zu einem Eingang des Exklusiv- ODER-Gatters
EX-OR 2, dessen anderer Eingang mit der Klemme 20 verbunden ist.
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Der Ausgang von EX-OR 2 ist schließlich mit dem RESED-Eingang H des
Flip-Flop FFB verbunden. Da das Exklusiv- ODER-Gatter EX-OR A invertierend wirkt,
so liegt der Rücksetzeingang R des FFB auf logisch0. Mit R = 0 wird das FFB mit
dem ersten log. 1 Pegel des TOGGilE-Taktes am Setzeingang S des FFB gesetzt. Da
kein RESE-Signal mit R = log. 1 folgt, bleibt der Ausgang des FFB auf log. 1.
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Die Pulse am RESEU-Eingang R des FFB sind in den Fig. 21 und 2p, die
am SE-Eingang S in der Fig. 2n und die am Ausgang Q des FFB in den Fig. 2g, 2n und
2q gezeigt.
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Das Ausgangssignal des Exklusiv- ODER-Gatters EX-OR 3 ist daher gegenphasig
zum Ausgangssignal der Klemme 21 und mit dem Ausgang des EX-OR 3 ist ein Eingang
der SCD/LED-Anzeige für das C-Symbol (Symbol für 00) verbunden und dieses Symbol
bleibt ständig sichtbar.
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Wird der vorgesehene Wertebereich des Meßwertes nach oben überschritten,
dann sind die Eingänge R und D (Dateneingang) des FEB gleich 0 und die positive
Flanke des negativgehenden Gatters NAND A (Fig. 3f) bringt zusammen mit dem logischen
Null-Pegel des
TOGG-Taktes am Setzeingang S des ZFB dessen Ausgang
Q auf logisch 0 Dieser Zustand wird solange gehalten, bis der Beginn der positiven
Phase des Taktsignals am Setzeingang S des FF3 den Ausgang des FFB auf log. 1 zwingt.
Der Dateneingang D wird von der «Test" -Klemme 37 des A/D Wandlers A abgenommen,
der Digital-O bedeutet.
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Mit der nächsten Integrationsperiode wird der Ausgang Q des FFB wieder
auf log. 0 gebracht Der oben beschriebene Vorgang wiederholt sich, so daß der Q
Ausgang toggelt.
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Der verhältnismäßig langsame Ausgangstakt des FFB führt in Verbindung
mit dem von der Klemme 21 abgenommenen Signal zu einem pulsierenden Signal am Ausgang
des EX-OR Gatters EX-OH 3, das auf das C-Syabol der Anzeige einwirkt, dieses Symbol
blinken läßt und damit eine Meßwertüberschreitung über den vorbestimmten Bereich
anzeigt.
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Tritt eine Meßgröße auf, die unterhalb des vorbestimmten Bereichs
liegt, dann werden die an den Klemmen 20 und 21 auftretenden Signale des A/D Wandlers
ausgenutzt, die bei negativen Eingangsspannungen gleichphasig werden. Der Ausgang
des Exklusiv-ODER-Gatters EX-OR 1 geht auf log. 1 und wenn der Takt am Setzeingang
des RSB auf log. 0 liegt, zwingt dies den Ausgang auf log. 0. Die dabei auftretenden
Impulse sind aus Fig. 3k bis 2q ersichtlich. Sobald der Setzeingang S des FFB, der
dominierend ist, wieder auf log. 1 geht, wird das Flip-Flop FBB erneut gesetzt,
d.h. sein Ausgang geht auf log 1. Dieser Vorgang wiederholt sich und das O-Symbol
der SC3 beginnt wieder zu blinken.
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Die hier beschriebene Schaltung kann leicht durch einen weiteren Schaltungsteil
ergänzt werden, der z.B. zur Anzeige einer zu geringen Batteriespannung dient. Diese
Batteriespannung wird über den Spannungsteiler R7 und R8 gemessen und mit einer
stabilisierten Spannung verglichen. Die beiden Spannungen werden dem Komparator
EO zugeführt und wenn die Batterie spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet,
dann geht der Ausgang des
Komparators EO auf log. 1 und schaltet
den vom Flip-Flop FFA herrührenden EOGGLE-Ausgang über das NAND-Gatter NAND B auf
den Eingang des Exklusiv- ODER-Gatters EX-OR 4, dessen Ausgang auf den Doppelpunkt
der LOD-Anzeige einwirkt. Da am zweiten Eingang dieses EX-OR 4 der durch EX-OR 1
invertierte Ausgang der Klemme 21 des A/D Wandlers liegt, läßt sich am Ausgang dieses
Gatters EX-OR 4 ein periodisches Signal gewinnen, das den Doppelpunkt zum Blinken
bringt.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltanordnung liegen einerseits
im einfachen Schaltungsaufbau und andererseits im geringen Leistungsverbrauch, was
sich besonders bei Batteriegeräten günstig bemerkbar macht. Die einzelnen Schaltelemente,
wie beispielsweise die Komparatoren KA, EB und KO, die Flip-Flops FFA und FF3, die
NAND-Gatter NAND A und NAND B sowie die Exklusiv- ODER-Verknüp~ fungsglieder EX-OH
1 bis EX-OR 4 können jeweils zu integrierten Einheiten zusammengefaßt werden.
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Für die Ziffernanzeige wird vorzugsweise eine LOD-Anzeige Verwendung
finden.
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Für die Eingänge zum A/D Wandler können die zur Verarbeitung von Meßfühlersignalen
üblichen Schaltungen verwendet werden ebenso wie für eine Spannungsstabilisierung.
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Zusätzlich zum Komparator KC können weitere Komparatoren in sinngemäßer
Schaltung verwendet werden, die Grenzwerte anzeigen.
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L e e r s e i t e