DE4002615C2 - Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung elektrischer Meßwerte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung elektrischer Meßwerte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 29 52 311 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen einer Meßspannung in einen digitalen Wert bekannt. Dabei wird zum Steuern der Vorrichtung ein Mikroprozessor benutzt. Die zu mes­ sende Spannung wird zu einer Referenz- oder Kompen­ sationsspannung addiert, welche als getastete Recht­ eckwechselspannung angeboten wird. Es ist ein zusätz­ licher Nullindikator erforderlich, um die Polarität der Meßspannung zu erkennen, und um das Tastverhältnis der Kompensationsspannung entsprechend zu variieren. Der Nullindikator ist schon als Analog-Digital-Wandler ausgeführt und gibt aber noch nicht das eigentliche Meßergebnis ab. Das Meßergebnis wird vom Mikropro­ zessor erfaßt, indem das Tastverhältnis von zusätz­ lichen Timerbausteinen ermittelt wird, bei dem sich ein Nullwert ergibt. Eine derartige Meßanordnung ist zwar für eine hohe Auflösung geeignet aber relativ auf­ wendig. Außerdem ist die Meßgenauigkeit von der Genau­ igkeit der Referenzspannung abhängig.

Ein nach dem Sägezahnverfahren arbeitender Analog- Digital-Wandler ist aus dem DE-Fachbuch "Tietze/ Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik", 4. Auflage bekannt, der ab Seite 641 beschrieben wird. Es han­ delt sich dabei um eine relativ einfache Anordnung, welche im wesentlichen aus zwei Komparatoren besteht. Damit wird die von einem Sägezahngenerator erzeugte Referenzspannung mit der Meßspannung verglichen. Beim Ansprechen eines der Komparatoren wird der dann sich ergebende Zählerstand zur Anzeige gebracht. In der Beschreibung ist angegeben, daß die Meßgenauigkeit durch Bauelementetoleranzen, insbesondere durch Alte­ rung stark beeinflußt wird. Um diesen Nachteil auszu­ schalten, kann ein AD-Wandler eingesetzt werden, der nach dem sog. Dual-Slope-Prinzip arbeitet und ab Seite 643 an gleicher Stelle beschrieben wird. Ein solcher Wandler ist jedoch wesentlich aufwendiger, beansprucht daher mehr Platz und erfordert auch eine längere Zeit für eine Messung.

Aus den "Patents Abstracts of Japan", Sect. E, Vol. 10 (1986), Nr. 75 (E-390), ist durch die Kurzbeschreibung der japanischen Patentanmeldung 60-223 266 (A) eine Anordnung zur Analog/Digi­ tal-Wandlung bekannt. Dabei wird für die Messung einer analogen Spannung ein Abtastimpuls Φd verwendet, während dessen Dauer ein zuvor auf eine Referenzspannung aufgeladener Kondensator bis zum Wert der Eingangsspannung entladen wird. Um diese Grenzwerte zu erfassen, sind zwei Spannungsvergleicher vorgesehen, deren ungleichartige Eingänge parallel geschaltet und mit dem Kondensator verbunden sind. Diese beiden Spannungsvergleicher steuern ein Gatter L4, welches während des Entladevorgangs des Kondensators geöffnet ist. In dieser Zeit erscheinen dann Clockimpulse, deren Anzahl ein Maß für die Eingangsspannung ist.

Bei dieser Anordnung muß die Pulsdauer und das Tastverhältnis des Abtastimpulses Φd in bezug zur Referenzspannung und zur Meßspannung so gewählt werden, daß beim Laden des Kondensators mit Sicherheit die Referenzspannung erreicht wird und daß beim Entladen mit Sicherheit die Meßspannung erreicht wird. Es ist außerdem ein zusätzlicher Takt für die Ausgabe des Meßergebnisses erforderlich, dessen Periode höher sein muß als die des Abtasttaktes. Durch die Alterung von Bauelementen, insbesondere des Kondensators, können sich Änderungen der Lade- und Entladezeiten ergeben, so daß die Relationen zum Abtasttakt Φd nicht mehr gegeben sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schal­ tungsanordnung anzugeben, womit ein nach dem Single- Slope-Verfahren arbeitender Analog-Digital-Wandler einfach und platzsparend aufgebaut werden kann, bei dem Bauelementetoleranzen und Alterungen das Meßer­ gebnis nicht beeinflussen.

Diese Aufgabe wird mit einer Merkmalskombination ge­ löst, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist.

Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Einfachheit eines Single-Slope-AD-Wandlers auch dann beibehalten werden kann, wenn eine hohe Meßgenauig­ keit erforderlich ist, und daß eine digitale Meßein­ richtung für vielfältige Einsatzfälle preiswert und platzsparend herstellbar ist.

In den Unteransprüchen sind optimale Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Anordnung

Fig. 2 die Beschaltung des als Meßeinrichtung verwendeten Mikroprozessors

Fig. 3 ein Zeitdiagramm

In Fig. 1 ist dargestellt, daß eine Ladespannung UC über eine Konstantstromquelle KQ und einen Schalter S1 einem Kondensator C zugeführt wird. Der Schalter S1 wird zu Beginn einer Messung aus dem Mikroprozes­ sor MP heraus periodisch für eine jeweils gleichlange Zeitdauer Δt angesteuert. Dabei lädt sich der Konden­ sator C stufenweise linear auf. Der Kondensator C ist mit den gleichartigen Eingängen + von zwei Vergleichern VG1, VG2 verbunden, so daß die Ladespannung UC dort anliegt. An dem anderen Eingang - des einen Verglei­ chers VG1 liegt eine bekannte Referenzspannung UR an, so daß dieser Vergleicher VG1 anspricht, wenn die Ladespannung UC die Höhe der Referenzspannung UR er­ reicht. Der entsprechende Eingang - des anderen Ver­ gleichers VG2 ist mit der zu messenden Spannung UM verbunden, so daß dieser Vergleicher VG2 anspricht, wenn von der Ladespannung UC die Schwelle der Meß­ spannung UM erreicht wird.

Der Steuertakt für die Ansteuerung des Schalters S1 wird vom Mikroprozessor MP geliefert, wobei gleich­ zeitig die Anzahlen der Ansteuerungen jeweils bis zum Ansprechen eines der Vergleicher VG1 oder VG2 gezählt werden. Die sich dabei ergebenden Zähler­ stände werden zunächst in Speichern abgelegt.

Es ergeben sich dabei folgende Beziehungen, wobei mit n die Anzahl der Zählschritte angegeben ist.

Für die Meßspannung:

Für die Referenzspannung:

Aus diesen beiden Beziehungen wird nun ein Quotient gebildet, wobei sich folgende Gleichung ergibt:

Dabei ist Δt die jeweils gleiche Zeitdauer, für die der Schalter S1 geschlossen ist. Aus der letzten Glei­ chung ist zu ersehen, daß die Größen C, I und Δt herausgekürzt werden können, so daß sich vereinfacht ergibt, nM/nR = UM/UR.

Daraus ist zu ersehen, daß Kapazitätswerte, Strom­ werte und die jeweils gleiche Einschaltzeit des Schalters S1 keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Es ergibt sich also für die Meßspannung die Bezie­ hung,

Im Mikroprozessor MP wird dann, wenn beide Verglei­ cher VG1 und VG2 angesprochen haben, ein Quotient aus den beiden zwischengespeicherten Zählwerten nach der letztgenannten Gleichung gebildet. Dieser Wert wird mit dem bekannten Wert der Referenzspannung UR multipliziert, und es ergibt sich der Wert der zu messenden Spannung. Die Genauigkeit des Meßergebnisses ist dabei lediglich abhängig von der Anzahl der Zähl­ schritte, bzw. von der gewählten Einschaltzeit Δt des Schalters S1 und von der Referenzspannung UR.

Damit das Meßergebnis nicht verfälscht werden kann, wird zu Beginn einer Messung ein weiterer Schalter S2 angesteuert, womit der Kondensator C entladen wird. Das Meßergebnis steht an digitalen Ausgängen DA des Mikroprozessors MP zur Verfügung und kann zur An­ steuerung einer Anzeigeeinrichtung oder zur digitalen Weiterverarbeitung dienen.

In der Fig. 2 ist dargestellt, wie durch Wahl eines geeigneten Mikroprozessors MP mit nur wenigen zusätz­ lichen Bauteilen ein Analog-Digital-Wandler nach dem Einflanken-Prinzip realisiert werden kann. Dabei kommt eine schaltbare Konstantstromquelle S1 zum Einsatz, so daß außer einigen Anpaßwiderständen R1 und R2 nur noch der Kondensator C erforderlich ist. Aber auch diese Bauteile lassen sich bei Bedarf noch in dem Gehäuse des Mikroprozessors MP unterbringen.

Die Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm, woraus zu ersehen ist, wie der Kondensator C stufenweise aufgeladen wird. Während der Einschaltdauer des Schalters S1 erfolgt bedingt durch die Konstantstromquelle KQ eine lineare Aufladung des Kondensators, die erhal­ ten bleibt und beim nächsten Einschalten fortgesetzt wird. Daraus ergibt sich, daß Meßvorgänge ohne wei­ teres unterbrochen werden können, wenn der Mikropro­ zessor MP zwischenzeitlich andere Aufgaben zu erle­ digen hat. Die sich beim Ansprechen der Vergleicher VG1 bzw. VG2 ergebenden Zählerstände nM×Δt, bzw. nR×Δt werden im Mikroprozessor MP zwischengespei­ chert und mathematisch verarbeitet, wie dies bereits beschrieben worden ist.

Ein auf diese Weise aufgebauter Analog- Digital-Wandler läßt sich sehr platzsparend herstellen, so daß er z. B. in Meßgeräten aller Art eingebaut werden kann. Auch andere Einsatzfälle, beispielsweise in Gefahren­ meldeanlagen zum Erkennen der Abweichungen elektrischer Größen von vorgegebenen Sollwerten sind denkbar.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung elektrischer Meßwerte mit einer als Mikroprozessor ausgeführten Steuereinrichtung, welche Zähler und Speicher enthält, wobei der zu messende Analogwert mit Referenzgrößen verglichen wird und die Analog-Digital-Wandlung nach dem Einflanken-Prinzip erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden gleichgearteten Eingänge (+) zweier Vergleicher (VG1, VG2) zusammengeschaltet und mit einem Kondensator (C) verbunden sind, der von einem periodisch für jeweils gleich lange Zeitdauern (Δt) angesteuerten Schalter (S1) über eine Konstantstromquelle (KQ) mit einer Ladespannung (UC), stufenweise linear aufgeladen wird, die größer ist als die zu messende Spannung (UM) und eine Referenzspannung (UR),
daß die beiden anderen Eingänge (-) der Vergleicher (VG1, VG2) mit der zu messenden Spannung (UM) bzw. mit der Referenzspannung (UR) beschaltet sind,
daß die Anzahl der Ansteuerungen des Schalters (S1) gezählt wird und jeweils dann die Zählerstände zwischengespeichert werden, wenn einer der Vergleicher (VG1, VG2) anspricht, und
daß aus den Zählerständen ein Quotient gebildet wird, indem der bei Erreichen der Meßspannung (UM) sich ergebende Zählwert durch den beim Erreichen der Referenzspannung (UR) sich ergebenden Zählwert dividiert wird, womit der Wert der Referenzspannung (UR) multipliziert wird, um den Digitalwert der Meßspannung (UM) zu erhalten.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schalter (S2) parallel zum Kondensator (C) geschaltet ist, der zu Beginn von Messungen betätigbar ist, wobei der Kondensator (C) entladen wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der periodisch angesteuerte Schalter (S1) und die Konstantstromquelle (KQ) in einem Schaltelement vereinigt sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor (MP) verwendet wird, der integrierte Vergleicher (VG1, VG2) enthält.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ladespannung (UC) die Versorgungsspannung des Mikroprozessors (MP) benutzt wird.