DE3448184C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Konverter zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein digitales Signal nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Ein solcher Konverter ist bekannt (US-PS 42 91 300). Ein solcher Konverter liefert ein Digitalsignal, das vom Steigen oder Fallen des Eingangssignals abhängt, eine unmittelbare Anzeige der Polarität des Eingangssignals ist nicht möglich. Eine Anzeige der Polarität ist in einer Reihe von Fällen nicht erforderlich, in gewissen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der elektronischen Leistungsmessung, wird jedoch eine Polaritätsangabe des Eingangssignals benötigt, beispielsweise um die Richtung des Leistungs­ flusses zu erfassen.

Es ist ein Konverter zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein Ausgangssignal bekannt, das die Größe oder Amplitude des Eingangssignals als Frequenz des Ausgangssignals angibt und das Vorzeichen oder die Polari­ tät des Eingangssignals als Tastverhältnis enthält (US-PS 40 31 532). Zur unmittelbaren Anzeige von Signal-Größe und -Polarität über ein ent­ sprechendes Anzeigegerät ist dieser bekannte Konverter geeignet, das Ausgangssignal ist jedoch nicht, oder jedenfalls nicht ohne weiteres, zur Weiterverarbeitung, etwa bei der elektronischen Leistungsmessung ge­ eignet.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Konverter der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß digitale Signale erzeugt werden, die Größe und Polarität des Eingangssignals angeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufge­ führten Maßnahmen gelöst.

Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen 2 bis 9.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

Fig. 1 einen Konverter mit Ausgangsschaltung für doppelte Polarität;

Fig. 2 eine Reihe von grafischen Darstellungen, mit Fig. 2a bis 2e bezeichnet, die verschiedene Signale zeigen, die in dem Konverter nach Fig. 1 auftreten, und

Fig. 3 eine Reihe von grafischen Darstellungen, mit Fig. 3a bis 3j bezeichnet, die verschiedene Signale zeigen, die in dem Konverter nach Fig. 1 und der Ausgangsschaltung auftreten.

In Fig. 1 ist ein Konverter dargestellt, der modulierte Ausgangssignale, die die Polarität des Eingangssignals anzeigen, liefert. Das Eingangs­ signal I _{A 1} wird über einen Widerstand 38 einem Summationsknoten 36 zu­ geführt. Eine von zwei Referenzspannungen, die vorzugsweise gleiche Größe und entgegengesetzte Polarität haben, wird über Widerstand 40 an den Summationsknoten gelegt. Die Referenzspannungen V 1- und V 1+ werden über zwei Schalter 58 bzw. 60 mit dem Summationsknoten verbunden, die vom Modulatorausgang kontrolliert werden. Momentane Differenzen zwischen Eingangsstrom I _{A 1} und Rückkopplungsstrom I _F am Knoten 36 werden einem Integrator zugeführt, der eine steigende oder fallende Sägezahnspannung liefert. Das integrierte Signal wird dann in einem Komparator 50 mit einer Pegelschwelle verglichen, der ein Kontrollsignal abgibt, das an­ zeigt, ob der Ausgang des Integrators über oder unter der Pegelschwelle liegt. Der Ausgang des Komparators 50 wird einer bistabilen Schaltung zugeführt, beispielsweise einem Flip-Flop 52.

Die bistabile Schaltung 52 ändert ihren Zustand nur zu vorgegebenen Taktintervallen, wie sie durch einen Taktgeber 56 bestimmt werden. Wenn das integrierte Signal die Pegelschwelle des Komparators 50 über­ kreuzt, kehrt der Ausgang der bistabilen Schaltung 52 seinen Zu­ stand am nächsten Taktimpuls um. Der Q-Ausgang der bistabilen Schal­ tung 52, als "moduliertes Signal" bezeichnet, kontrolliert den Schal­ ter 60, der die positive Referenzspannung V 1+ mit dem Summationsknoten 36 verbindet. Der -Ausgang, der immer das Inverse des Q-Ausganges ist, betätigt den Schalter 58, so daß die negative Referenzspannung V 1- mit dem Summationsknoten 36 verbunden wird. Die Schalter 58 und 60 werden immer alternierend betätigt, was bedeutet, daß immer die eine oder die andere der Referenzspannungen dem Summationsknoten 36 zuge­ führt wird.

Fig. 2 illustriert verschiedene der Signale, die in dem Modulatorteil des Konverters nach Fig. 1 auftreten. Das Eingangssignal I _{A 1} ist in Fig. 1a repräsentiert. Natürlich ist bei der Messung von Wechselstrom­ leitung I _{A 1} sinusförmig. Es wird angenommen, daß der Schalter 58 anfäng­ lich geschlossen ist, und ein negativer Referenzstrom über Widerstand 40 an den Summationsknoten 36 gelegt wird. Die Werte von V 1- und Wider­ stand 40 werden so gewählt, daß ein Strom I _F erzeugt wird, der groß rela­ tiv zum Eingangssignal I _{A 1} ist.

Der Summenstrom I _{A 1} + I _F hat deshalb einen negativen Nettowert, so daß Strom vom Kondensator 44 gezogen wird. Dementsprechend fällt das inte­ grierte Differenzspannungssignal anfänglich, wie in Fig. 2c gezeigt.

Der Taktgeber 56 liefert ein Signal gemäß Fig. 2b. Die bistabile Schal­ tung 52 taktet an der voreilenden Flanke jedes aufwärts gerichteten Impulses. Zum Taktimpuls a hat das integrierte Differenzsignal nach Fig. 2c noch nicht die Schwelle des Komparators 50 überquert, und damit bleiben Q tief und hoch, und das Differenzsignal integriert weiterhin abwärts. Da das Differenzsignal dem invertierenden Eingang des Komparators 50 zugeführt wird, schaltet der Komparatorausgang von tief auf hoch, wenn das Signal die Schwelle überkreuzt. Das in Fig. 2d gezeigte Kontrollsignal repräsentiert den Ausgang des Komparators 50. Dementsprechend ändert die bistabile Schaltung 52 zum Taktimpuls b den Zustand und Q geht von tief auf hoch. Wenn Q hoch geht, geht tief, Schalter 60 wird geschlossen und Schalter 58 wird geöffnet. Eine positive Referenzspannung wird dann dem Summationsknoten 36 zuge­ führt, so daß der Summenstrom wächst, bis zum nächsten Taktimpuls bei c. Zwischen den Taktimpulsen b und c kreuzt das integrierte Differenz­ signal wieder den Pegelschwellwert des Komparators 50, so daß das Kontrollsignal tief geht. Q geht dann beim nächsten Taktimpuls tief, so daß die an den Summationsknoten 36 gelegte Referenzspannung wieder negativ geht. Wenn I _{A 1} steigt, ändert sich die Neigung des Differenz­ signals und sein Wert fällt, bis die Pegelschwelle wieder überkreuzt wird. Q bleibt tief, bis eine Änderung im ersten Kontrollsignal zum Taktimpuls f detektiert wird. Q geht dann hoch, so daß die Referenz­ spannung wieder von negativ auf positiv umgeschaltet wird.

Die oben beschriebene Schaltung und das entsprechende Verfahren arbei­ ten als Delta-minus-Sigma-Konverter, wobei nur die Differenz zwischen dem Eingang und den Referenzspannungen integriert und gemessen wird. Die Schaltung hält das integrierte Differenzsignal immer um die Pegel­ schwelle des Komparators 50 herum. Der Q-Ausgang der bistabilen Schal­ tung 52 hat einen mittleren Pegel oder eine Amplitude über der Zeit, proportional der Größe von I _{A 1}.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Q-Ausgang der bistabilen Schaltung 52 mit dem D-Eingang einer zweiten bistabilen Schaltung 53 verbunden und beide erhalten Taktsignale vom gleichen Taktgeber 56. Wegen Gatter­ verzögerungen folgen Änderungen im Q-Ausgang der bistabilen Schaltung 53 immer Änderungen im Q-Ausgang der bistabilen Schaltung 52 mit einer Verzögerung von einem Taktimpuls. Ein UND-Gatter 350 ist ebenfalls vor­ gesehen, um die Q-Ausgänge von beiden bistabilen Schaltungen 52 und 53 aufzunehmen, sowie ein Taktsignal vom Taktgeber 56. Das UND-Gatter dient als Mittel zur Ausgabe eines ersten Digitalsignals, das proportional der Größe einer Polarität des Eingangssignals ist.

Fig. 3 illustriert den Betrieb der oben beschriebenen Schaltungselemente. Zur Illustration soll angenommen werden, daß der Spannungsverlauf auf Knoten 32, die in Fig. 3a dargestellte Form hat. Das Signal wird zunächst in ein erstes moduliertes Signal am Q-Ausgang der bistabilen Schal­ tung 52 in der oben beschriebenen Weise konvertiert. Ferner wird an­ genommen, daß der Q-Ausgang der bistabilen Schaltung 52 den in Fig. 3d gezeigten Verlauf hat. Der Ausgang des Taktgebers 56 ist durch den Spannungsverlauf in Fig. 3b dargestellt. Der Ausgang der zweiten bi­ stabilen Schaltung 53 wird als "verzögert Q" bezeichnet und durch den Spannungsverlauf in Fig. 3e veranschaulicht. Verzögert Q ist im wesentlichen gleich Q, jedoch zeitlich um ein Taktsignal verzögert. Die Erfindung fordert, daß Q, verzögert Q und ein Taktsignal in einem UND-Gatter 350 kombiniert werden (vgl. Fig. 1).

Für tatsächlich ausführbare Komponenten ist es vorzuziehen, zwischen Takt 56 und UND-Gatter 350 einen Inverter 57 anzuordnen, wenn das auch für idealisierte Schaltungen nicht notwendig ist, in denen Komponenten­ verzögerungen nicht vorhanden sind. Der Inverter 57 invertiert das Takt­ signal, um ein invertiertes Taktsignal gemäß Fig. 3c zu erhalten. Der Grund dafür, ein invertiertes Taktsignal an das UND-Gatter zu liefern, besteht darin, daß Fortpflanzungsverzögerungen in den bi­ stabilen Schaltungen 52 und 53 dazu neigen, dafür zu sorgen, daß deren Ausgänge leicht hinter dem Ausgang des Taktes 56 hinterherhinken, so daß kurze, gleichzeitige "Hoch-Bedingungen" in allen drei Signalen zum falschen Zeitpunkt erscheinen. Wenn der Takt nicht invertiert wird, er­ gibt sich deshalb ein extra Spitzenausgang vom UND-Gatter 350, der einen Fehlerimpuls darstellen würde. Aus diesem Grunde ist der Inverter 57 in Fig. 1 vorgesehen. Der resultierende Ausgangsspannungsverlauf vom UND-Gatter 350 ist in Fig. 3f dargestellt.

Der Spannungsverlauf in Fig. 3f ist im wesentlichen eine digitale Repräsen­ tation des Betrages, um den die Zeit, in der Q hoch ist, die Zeit über­ steigt, in der Q tief ist. Bei dem Beispiel nach Fig. 3 enthält der Spannungsverlauf 3f nur zwei Impulse, die nacheinander erzeugt werden, und die auf der rechten Seite der Darstellung erscheinen. Diese beiden Impulse koinzidieren grob gesprochen mit dem Bereich, in dem der Eingang Fig. 3a am stärksten negativ ist. Vorzugsweise übersteigt die Frequenz des Taktes erheblich die Variationen des analogen Eingangssignals, um höhere Auflösungen zu erhalten, als sie in Fig. 3 dargestellt sind. Das Arbeitsprinzip ist jedoch exakt das gleiche. Im Prinzip liefert die Kombination eines verzögerten modulierten Signals mit dem ursprünglichen modulierten Signal an einem UND- Gatter ein Ausgangssignal, das nur dann hoch geht, wenn Q für wenigstens zwei aufeinander folgende Taktimpulse hoch bleibt. Das Taktsignal sorgt dafür, daß der UND-Gatter-Ausgang ein Impuls­ zug ist, mit Impulsen in Intervallen von nicht weniger als den Taktintervallen des Taktsignals. Bei dem soeben beschriebenen Beispiel gibt das UND-Gatter Impulse nur dann ab, wenn alle ange­ legten Signale hoch sind. Wenn Q für zwei oder mehr aufeinander folgende Taktimpulse tief ist, hat es keinen Einfluß auf den Ausgang des UND-Gatters 350, da nur hohe Eingänge gemessen wer­ den. Der Ausgang des UND-Gatters ist also eine Repräsentation der Größe nur einer Polarität des Eingangssignals. Der Ausgang ist also effektiv ein einfach gleichgerichtetes Signal, digital dargestellt.

Um einen digitalen Ausgang proportional der anderen Polarität des Eingangsspannungsverlaufs zu erhalten, dienen die -Ausgänge den bi­ stabilen Schaltungen 52 und 53 als erstes bzw. zweites invertiertes moduliertes Signal. Unter Annahme des gleichen Eingangssignals und der gleichen Takte wie in Fig. 3 hat einen Verlauf wie in Fig. 3g gezeigt. Die bistabile Schaltung 53 liefert ein verzögertes -Signal wie in Fig. 3h dargestellt. Beide Signale werden einem zweiten UND- Gatter 352 (Fig. 1) zugeführt, zusammen mit dem invertierten Takt­ signal, das in Fig. 3c gezeigt ist. Der Ausgang des zweiten UND- Gatters 352 ist im Spannungsverlauf in Fig. 3i gezeigt und wird als zweites Digitalsignal bezeichnet. Das zweite UND-Gatter 352 dient als Mittel zur Abgabe eines zweiten Digitalsignals, das Impulse proportional dem Betrag der Zeit enthält, in der ein Pegel des ersten invertierten modulierten Signales den anderen Pegel übersteigt. Wenn alle drei Eingänge des UND-Gatters hoch sind, werden Impulse bei Intervallen von nicht weniger als den Taktintervallen des Taktes 56 produziert. Im vorliegenden Beispiel repräsentiert der Spannungs­ verlauf 3i die Komponente positiver Polarität des Eingangssignals. Ersichtlich entsprechen die Stellen der Impulse grob den Bereichen, wo das Eingangssignal Fig. 3a hoch ist. Der Spannungsverlauf Fig. 3i bildet eine digitale Repräsentation der Größe der positiven Halbwellen­ komponenten des Eingangssignals.

In Fig. 1 ist noch gezeigt, daß die Erfindung weiter dazu verwendet werden kann, ein Digitalsignal proportional der Größe des vollen Spannungsverlaufs des Eingangssignals zu produzieren. Das wird dadurch verwirklicht, daß der erste digitale Signalausgang des UND-Gatters 350 und der zweite digitale Signalausgang des UND-Gatters 352 an ein ODER- Gatter 351 geliefert werden, das als Gattereinrichtung dient, mit der die Digitalsignale kombiniert werden, um ein digitales Summationssignal auszugeben, wie in Fig. 3j dargestellt. Der Spannungsverlauf gemäß Fig. 3j ist proportional der Größe des vollen Eingangssignals ein­ scließlich beider Polaritäten, was hier als "absolute Größe" bezeichnet wird. Die Ausgänge der UND-Gatter 350 und 352 sind mit Aufwärts- und Abwärts-Eingänge eines Auf/Ab-Zählers 354 verbunden, so daß die Anzahl der positiven und negativen Impulse über irgendein ausgewähltes Zeit­ intervall verglichen werden kann.

Claims (9)

1. Konverter zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein digitales Signal, bestehend aus einem Taktgeber und einer Modu­ lationseinrichtung, die ein moduliertes Signal liefert, das im Takt zwischen zwei Pegeln variieren kann und das ein die Größe des Eingangssignals mit Bezug auf einen Referenzpegel anzeigendes Tastverhältnis hat, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Anzeige der Polarität des Eingangssignals gegenüber dem Referenz­ pegel eine Ausgangsschaltung (53, 350, 351, 352) vorgesehen ist, mit der das modulierte Signal wenigstens einmal während jedes Taktzyklus abgefragt wird, um die Polarität festzustellen, und wenigstens ein digitales Signal aufgrund des modulierten Signals und der Polaritätsfeststellung erzeugt wird.

2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung eine Verzögerungseinrichtung (53) für das modulierte Signal und eine Kombinationseinrichtung, insbesondere Gatter (350, 351, 352), aufweist, an denen das modulierte und das verzögerte modulierte Signal anstehen und die wenigstens ein digitales Signal liefern.

3. Konverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung (53) um einen Taktzyklus verzögert.

4. Konverter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung eine bistabile Schaltung (53) ist.

5. Konverter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Schaltung (53) mit dem Taktgeber (56) getaktet wird und an einem Eingang das modulierte Signal erhält.

6. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenz-Tastverhältnis Eingangssignalgröße Null angibt und die Ausgangsschaltung (53, 350, 351, 352) eine Polarität fest­ stellt, wenn das tatsächliche Tastverhältnis größer ist als das Referenz-Tastverhältnis, und die andere Polarität, wenn das tat­ sächliche Tastverhältnis kleiner ist als das Referenz-Tastverhältnis.

7. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung (53, 350, 351, 352) wenigstens zwei Digitalsignale abgibt, eines, das die Eingangssignalgröße angibt, wenn das Eingangssignal eine Polarität hat, und eines, das die Eingangssignalgröße angibt, wenn das Eingangssignal die andere Polarität hat.

8. Konverter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs­ schaltung (53, 350, 351, 352) als drittes Signal eines abgibt, das die Eingangssignalgröße unabhängig von Polarität anzeigt.

9. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Modulationseinrichtung eine mit dem Taktgeber (56) getaktete bistabile Schaltung (52) vorgesehen ist.