DE3900179A1 - Circuit arrangement for converting a direct voltage into digital data - Google Patents

Circuit arrangement for converting a direct voltage into digital data

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Abstract

The invention relates to a circuit arrangement for converting a direct voltage (U) into digital data, using a controllable pulse-duration modulator (1) which converts the direct voltage into a pulse (UA), the pulse duration of which is proportional to the amplitude of the direct voltage. Its modulation input (CV) is alternately supplied with a reference voltage (Uo), a reference voltage (Uref) and the direct voltage together with the reference voltage by means of the change-over switch (3). The pulses generated by the pulse duration modulator are supplied to a programmable evaluating and control device which determines the pulse duration of the pulses and from this converts the amplitude value of the direct voltage into digital data (Figure 1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung nach dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.The invention relates to a circuit arrangement for Conversion of a DC voltage according to the preamble of claim ches 1.

Es sind bereits Schaltungen bekannt, die Analogsignale in ent­ sprechende Digitaldaten umsetzen und die nach unterschiedlichen Umsetzprinzipien arbeiten, wie nach dem Zählprinzip oder dem integrierenden Prinzip. So ist in der DE-OS 24 39 605 eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine impulsförmige Spannung beschrieben, bei der das Tastverhältnis der angelegten Gleichspannung proportional ist. Die bekannte Schaltung verwendet einen Verstärker, dessen Eingang die Gleich­ spannung zugeführt ist und dessen Ausgang einen Schalter steuert, durch welchen an einen gemeinsamen Schaltungspunkt wahlweise zwei Referenzspannungen anschließbar sind. Diese Schaltung erzeugt einen rechteckförmigen Impulszug mit abgeschrägten Dachflanken und wechselnder Polarität, der zur Steuerung eines Mikroprozessors nicht geeignet ist.Circuits are already known, the analog signals in ent convert speaking digital data and that according to different Implementation principles work, such as the counting principle or the integrating principle. So in DE-OS 24 39 605 one Circuit arrangement for converting a DC voltage into a described pulse-shaped voltage at which the duty cycle is proportional to the applied DC voltage. The well-known Circuit uses an amplifier whose input is the same voltage is supplied and the output of which controls a switch, through which optional to a common circuit point two reference voltages can be connected. This circuit creates a rectangular pulse train with beveled Roof edges and changing polarity, which is used to control a Microprocessor is not suitable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanord­ nung anzugeben, die eine einfache und dennoch sichere Umsetzung von analogen Sensorsignalen wie z. B. von Temperaturmeßfühlern in Digitaldaten gewährleistet, wobei zur Analog-Digitalumsetzung handelsübliche Timer mit geringer Beschaltung Verwendung finden sollen, die zur Steuerung in Verbindung mit einer programmierba­ ren Auswerte- und Steuereinrichtung wie z. B. einem Mikroprozes­ sor geeignet sind. The invention has for its object a circuit arrangement Specify the simple, yet secure implementation of analog sensor signals such as B. of temperature sensors guaranteed in digital data, whereby for analog-digital conversion commercial timers with low wiring can be used should be used for control in connection with a programmable Ren evaluation and control device such. B. a microprocess are suitable.  

Gelöst wird die Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der ein­ gangs genannten Art mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 an­ gegebenen Merkmalen. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The problem is solved with a circuit arrangement of the gangs mentioned with the in the characterizing part of claim 1 given characteristics. Further expedient configurations result itself from the subclaims.

Anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigtUsing an exemplary embodiment shown in the figures the invention is explained in more detail below. It shows

Fig. 1 die Schaltungsanordnung mit einem Pulsdauer-Modulator und einer programmierbaren Auswerte- und Steuereinheit und Fig. 1 shows the circuit arrangement with a pulse duration modulator and a programmable evaluation and control unit and

Fig. 2 ein Impulsdiagramm der in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 verwendeten Steuerimpulse. Fig. 2 is a timing diagram of the control pulses used in the circuit arrangement of FIG. 1.

Gemäß Fig. 1 wird die von einem nicht dargestellten Sensor generierte Gleichspannung U über die Klemmen 10 und 11 und den Umschalter 3 dem Modulationseingang CV eines Pulsdauer-Modula­ tors 1 zugeführt, der die Gleichspannung U in einen zeitpropor­ tionalen Ausgangsimpuls U A an dem Ausgang O umsetzt. Das zeitbe­ stimmende Element ist ein Kondensator C, den zur Verminderung des Linearitätsfehlers eine Stromquelle I K auflädt, die aus der gemeinsamen Hilfsspannung U H gespeist wird.According to Fig. 1, generated by a sensor, not shown DC voltage U across the terminals 10 and 11 and the change-over switch 3 is supplied to the modulation input CV of a pulse duration-Modula gate 1 is supplied, the DC voltage U in a zeitpropor tional output pulse U A at the output O implements. The Zeitbe-determining element is a capacitor C , which to reduce the linearity error charges a current source I K , which is fed from the common auxiliary voltage U H.

Der Start einer Umwandlung der Gleichspannung U in Digitaldaten wird durch einen Triggerimpuls U T an dem Takteingang T des Pulsdauer-Modulators 1 ausgelöst. Als Pulsdauer-Modulator ist beispielsweise der Timer ICL 7555 der Fa. Intersil verwendbar. Über den Umschalter 3 werden dem Eingang CV des Pulsdauer-Modula­ tors 1 drei verschiedene Eingangsspannungen U e in beliebiger Folge nacheinander aufgeschaltet.The start of a conversion of the DC voltage U into digital data is triggered by a trigger pulse U T at the clock input T of the pulse duration modulator 1 . For example, the timer ICL 7555 from Intersil can be used as the pulse duration modulator. Via the switch 3 , the input CV of the pulse duration modulator 1 three different input voltages U e are sequentially connected in any order.

Zur Erzeugung eines Nullimpulses mit der Zeitdauer t₀ für die Festlegung des Nullpunktes, bei dem die Gleichspannung U = O ist, wird der Schalter 7 im Umschalter 3 geschlossen und eine bekannte Bezugsspannung U₀ auf den Modulationseingang CV geschal­ tet. Die Aufschaltung von U₀ stellt sicher, daß der Pulsdauer-Mo­ dulator im Bereich der spezifizierten zulässigen Daten betrieben wird. To generate a zero pulse with the time period t ₀ for determining the zero point at which the DC voltage U = O , the switch 7 in the changeover switch 3 is closed and a known reference voltage U ₀ is switched to the modulation input CV . The activation of U ₀ ensures that the pulse duration modulator is operated in the range of the specified permissible data.

Der Schalter 9 wird geschlossen, um die Aussteuer-Empfindlich­ keit des Pulsdauer-Modulators festzustellen. Hierzu wird eine bekannte Referenzspannung U ref aufgeschaltet, die am Ausgang O in einen Ausgangsimpuls U A der Zeitdauer t ref umgewandelt wird.The switch 9 is closed in order to determine the modulation sensitivity of the pulse duration modulator. For this purpose, a known reference voltage U ref is switched, that is at the output O in an output pulse U A the time period t ref converted.

Letztlich wird der Schalter 8 im Umschalter 3 geschlossen, um die unbekannte Gleichspannung U zusammen mit der Meßspannung U₀ auf den Eingang CV des Pulsdauer-Modulators 1 zu schalten. Beide Spannungen werden in einen Ausgangsimpuls U A der Zeitdauer t₀+t umgewandelt.Ultimately, the switch 8 in the changeover switch 3 is closed in order to switch the unknown direct voltage U together with the measuring voltage U ₀ to the input CV of the pulse duration modulator 1 . Both voltages are converted into an output pulse U A with the duration t ₀ + t .

Die bekannten Spannungen U₀ und U ref werden an einem aus Stabili­ sierungsdioden D 0, D 1 und D 2 gebildeten Spannungsteiler abgegrif­ fen, der über einen Widerstand R aus der gemeinsamen Hilfsspan­ nung U H versorgt wird.The known voltages U ₀ and U ref are tapped at a voltage divider formed from stabilizing diodes D 0 , D 1 and D 2 , which is supplied via a resistor R from the common auxiliary voltage U H.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Ausgangsimpulse U A und deren zeitlicher Bezug zu dem Triggerimpuls U T dargestellt. Die zeitlich nacheinander auftretenden Ausgangsimpulse U A mit der Zeitdauer t₀, t ref und t₀+t sind ineinander gezeichnet, um deren Zeitdauer bezogen auf die Zeitdauer des Nullimpulses mit der Zeitdauer t₀ zu verdeutlichen.In FIG. 2, the timing of the output pulses U A and its temporal reference is shown to the trigger pulse U T. The output pulses U A occurring one after the other with the time period t ₀, t ref and t ₀ + t are drawn one inside the other in order to clarify their time period in relation to the time period of the zero pulse with the time period t ₀.

Die vom Pulsdauer-Modulator 1 am Ausgang O abgegebenen Ausgangs­ impulse U A der Zeitdauer t₀, t ref und t₀+t speisen den Eingang einer programmierbaren Auswerte- und Steuereinrichtung 2, bei­ spielsweise einen quarzgetakteten Mikroprozessor, der derart programmiert ist, daß er die folgenden Teilfunktionen der Schal­ tungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in Digitalda­ ten ausführt.The output pulses U A of the time duration t ₀, t ref and t ₀ + t delivered by the pulse duration modulator 1 at the output O feed the input of a programmable evaluation and control device 2 , for example a quartz-clocked microprocessor, which is programmed such that it performs the following sub-functions of the circuit arrangement for converting a DC voltage into digital data.

  • - Messung der Zeitdauer der Ausgangsimpulse U A des Pulsdauer-Mo­ dulators 1 mittels einer Zählerfunktion für die Eingangsspan­ nungen U₀, U ref und U;- Measurement of the duration of the output pulses U A of the pulse duration modulator 1 by means of a counter function for the input voltages U ₀, U ref and U ;
  • - Berechnung und Ausgabe der Gleichspannung U als Digitalwert auf den Datenleitungen 4; - Calculation and output of the DC voltage U as a digital value on the data lines 4 ;
  • - Erzeugung des Triggerimpulses U T , der dem Takteingang T des Pulsdauer-Modulators 1 zugeführt wird und- Generation of the trigger pulse U T , which is fed to the clock input T of the pulse duration modulator 1 and
  • - zeitliche Steuerung des Umschalters 3, dessen Schalter 7, 8 und 9 über Steuerleitungen 6 mit der Auswerte- und Steuerein­ richtung 2 verbunden sind.- Timing of the switch 3 , the switches 7 , 8 and 9 are connected via control lines 6 with the evaluation and Steuerein device 2 .

Wie bei allen bekannten Zählverfahren ist die Auflösung der digitalisierten Gleichspannung unter anderem durch die Taktfre­ quenz des Zählers gegeben. So ergibt sich bei einer gewünschten Auflösung des Digitalwertes von 16 Bit ≐ 65 536 Digit und einer Umsetzzeit von ca. 32,7 ms eine erforderliche Zählfrequenz von 2 MHz. Der Linearitätsfehler der dargestellten Schaltungsanord­ nung beträgt etwa 0,01%, was einer Genauigkeit von 13 Bit entspricht.As with all known counting methods, the resolution is the digitized DC voltage, among other things by the clock frequency given the counter. This results in a desired one Resolution of the digital value of 16 bits ≐ 65 536 digits and one Conversion time of approx. 32.7 ms a required counting frequency of 2 MHz. The linearity error of the circuit arrangement shown voltage is about 0.01%, which is an accuracy of 13 bits corresponds.

Unter dem für den angegebenen Pulsdauer-Modulator 1 anzusetzen­ den Randbedingungen kann die programmierbare Auswerte- und Steuereinrichtung 2 die zu messende Gleichspannung U mit Hilfe der folgenden mathematischen Bezeichnungen ermitteln:Under the boundary conditions to be applied to the specified pulse duration modulator 1 , the programmable evaluation and control device 2 can determine the DC voltage U to be measured using the following mathematical names:

Der proportionale Zusammenhang zwischen der Zeitdauer t und der Gleichspannung U ist solange gültig, wie die Zeitdauer t ref und t₀ den Eingangsspannungen U ref und U₀ entsprechen. Es kann ausgenommen werden, daß die Funktion t proportional U für kurze Zeit, etwa einige Sekunden, stabil bleibt, da sich die Bauteile und die Parameter der Stromquelle I K, des Kondensators C und der im Pulsdauer-Modulator angeordneten Komparatoren und Halb­ leiter nur über längere Zeit ändern. Nach einigen Sekunden erfolgt jedoch eine erneute Messung mit der Bezugsspannung U₀ und der Referenzspannung U ref, so daß diese für die weitere Ermittlung der Gleichspannung U berücksichtigt werden können.The proportional relationship between the time period t and the DC voltage U is valid as long as the time period t ref and t ₀ correspond to the input voltages U ref and U ₀. It can be excluded that the function t proportional U remains stable for a short time, about a few seconds, since the components and the parameters of the current source I K , the capacitor C and the comparators and semiconductors arranged in the pulse duration modulator are only superimposed change for a long time. After a few seconds, however, a new measurement with the reference voltage U ₀ and the reference voltage U ref is carried out, so that these can be considered for the further determination of the DC voltage U.

Die Wiederholfrequenz des Triggerimpulses U T beträgt vorzugswei­ se ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz, um Schwankungen der Digitaldaten bei kontinuierlicher Messung zu vermeiden.The repetition frequency of the trigger pulse U T is preferably an integer multiple of the mains frequency in order to avoid fluctuations in the digital data during continuous measurement.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in Digitaldaten, mit einem steuerbaren Pulsdauer-Modulator, der aus der Gleichspannung einen Impuls ableitet, dessen Pulsdauer der Amplitude der Gleichspannung proportional ist, gekennzeich­ net durch folgende Merkmale:
  • - dem Modulationseingang (CV) des Pulsdauer-Modulators (1) werden wechselweise eine Bezugsspannung (U₀), eine Referenz­ spannung (U ref) und die Gleichspannung (U) zusammen mit der Bezugsspannung (U₀) aufgeschaltet,
  • - die wechselweise vom Pulsdauer-Modulator (1) erzeugten Impulse werden einer programmierbaren Auswerte- und Steuereinrichtung (2) zugeführt, die mittels einer Zählfunktion die Pulsdauer (t₀, t ref, t₀+t) der Impulse ermittelt und gemäß der Beziehung den Amplitudenwert der Gleichspannung (U) errechnet und in Digitaldaten für die Abgabe an Datenleitungen (4) umsetzt.
1. Circuit arrangement for converting a DC voltage into digital data, with a controllable pulse duration modulator that derives a pulse from the DC voltage, the pulse duration of which is proportional to the amplitude of the DC voltage, characterized by the following features:
  • - The modulation input (CV) of the pulse duration modulator ( 1 ) alternately a reference voltage (U ₀), a reference voltage (U ref ) and the DC voltage (U) are applied together with the reference voltage (U ₀),
  • - The pulses generated alternately by the pulse duration modulator ( 1 ) are fed to a programmable evaluation and control device ( 2 ) which determines the pulse duration (t ₀, t ref , t ₀ + t) of the pulses by means of a counting function and according to the relationship the amplitude value of the direct voltage (U) is calculated and converted into digital data for delivery to data lines ( 4 ).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen (U₀, U ref, U) mit Hilfe eines Umschalters (3), der von der programmierbaren Auswerte- und Steuereinrich­ tung (2) über Steuerleitungen (6) betätigt wird, auf den Modula­ tionseingang (CV) des Pulsdauer-Modulators (1) geschaltet werden.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the voltages (U ₀, U ref , U) with the aid of a changeover switch ( 3 ) which is operated by the programmable evaluation and control device ( 2 ) via control lines ( 6 ), can be switched to the modulation input (CV) of the pulse duration modulator ( 1 ). 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Auswerte- und Steuereinrichtung (2) mit der Abgabe eines Triggerimpulses (U T), der dem Takteingang (T) des Pulsdauer-Modulators (1) zugeführt wird, den Zeitpunkt des Beginns der Umwandlung einer Gleichspannung festlegt.3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the programmable evaluation and control device ( 2 ) with the delivery of a trigger pulse (U T ), which is fed to the clock input (T) of the pulse duration modulator ( 1 ), the time of the beginning the conversion of a DC voltage.
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