Analog-Digital-Umsetzer Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Um- setzer, bei welchem ein der umzusetzenden analogen Spannung proportionaler Messtrom mit dem Sum menstrom der durch zugeschaltete Widerstände aus einer Referenzspannungsquelle .fliessenden, binär ge stuften Teilströme verglichen wird und bei welchem ein Steuerkreis ausgehend vom grössten Teilstrom so viele Teilwiderstände zuschaltet,
bis der Mess- strom -durch den Summenstrom kompensiert ist oder höchstens um weniger .als der kleinste binär gestufte Teilstrom grösser als. oder Summenstrom ist. Die An zahl der digitalen Stufen liefert den gewünschten digitalen Wert der umzusetzenden analogen Span nung.
Bei diesem Analog-Digital-Unisetzer ist die Messgenauigkeit in erster Annäherung durch das Auflösungsvermögen gegeben, das den Wert des kleinsten; binär gestufen Teilstromes hat. Die Mess genauigkeit kann normalerweise nur dadurch ver- grössert werden, dass der kleinste, binar gestufte Teilstrom verringert wird. Dies hat aber eine, be züglich Aufwand, nachteilige Erhöhung der binären Stufenzahl zur Folge.
Durch die Erfindung wird ein Analog-Digital- Umsetzer aufgezeigt, bei welchem das Auflösungs- vermögen um einen Faktor 2 ohne Erhöhung der Zahl der binären Stufen verbessert wird.
Der Analog- Digital-Umsetzer ist. dadurch gekennzeichnet, dass der Messtrom durch einen konstanten Zusatzstrom vergrössert ist, der gleich der Hälfte des kleinsten, binär gestuften Teilstromes ist.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung bei spielsweise näher erläutert werden.
In Fg. 1 ist die grundsätzliche Anordnung des Analog-Dibtal-Umsetzers gezeigt. Fig. 2 zeigt das Schema .eines In Fig. 1 ist mit 1 die Quelle der umzusetzenden analogen Spannung UL .bezeichnet,
die einen den Messwiderstand R mit dem Leitwert Y und die Ver- gIeichsanordnung 2 durchfliessenden Mess@trorn 1F erzeugt. Mit 3 ist die Referenzspannungsquelle mit der Spannung U,. bezeichnet, die ihrerseits einen durch die mittels der Schalter So ... S" zugeschalteten Teilwiderstände R" ...
R" und die Vergleichsanord- nung 2 durchfliessenden Strom IS erzeugt. Die Wi derstände R" ... R" sind binär abgestuft, das .heisst R" hat den Leitwert 20. Y", R1 :
den Leitwert 21. Yo usw und R" den Leitwert 2n. Y". Der Strom 1s ist der Summenstrom der durch die jeweils zugeschafe- ten Widerstände fliessenden Teilströme. Seine Strom- richtung .ist entgegengesetzt derjenigen des Messtro mes IF ,
so dass vorerst die Vergleichsanordnung 2 vom Differenzstrom AI = IE-Is durchflossen, wird. Mit 4 ist ferner schematisch der Steuerkreis bezeichnet, der in bekannter Weise die Zuschaltung der Teil widerstände R" ...
R2 Tolgendermassen besorgt An, erster Stelle wird der Teilwiderstand R" der höchsten binären Stufte durch Schliessen des Schal- ters S" zugeschaltet. Falls der Differenzstrom in der Vergleichsanordnung 2 positiv ist,
das heisst der Messtrom h grösser als -der Summenstrom IS -ist, bleibt der Schalter S" geschlossen. Bei negativem Differenzstrom wird :der Schalter S,t wieder geöffnet.
Durch den Steuerkreis 4 wird :anschliessend der Schalter S,1 1 der nächst niedrigeren binären Stufe geschlossen und damit der Teilwiderstand: R" _ 1 ein geschaltet. Falls der Differenzstrom positiv ist, bleibt wiederum der Schalter S"-1 geschlossen. Bei nega- tivem Differenzstrom wird der Schalter S" _ wieder geöffnet.
In gleicher Weise werden durch den Steuerkreis alle folgenden binären Stufen bis zur letzten Stufe mit dem Schalter S" und dem Teilwiderstand R" aus probiert. Durch den Schaltzustand der Schalter S" ... S" der binären Stufen, wobei einem geschlossenen Schalter beispielsweise der Wert L und einem offenen Schalter der Wert O zugeordnet ist, wird die analoge Spannung Ur mindestens angenähert in binärer Form dargestellt.
Die Abweichung vom Sollwert ist hier bei höchstens gleich dem Auflösungsvermögen, also geringer als der kleinste, binär gestufte Teilstrom, der gleich ist dem durch die Zuschaltung des Teil widerstandes R" mit dem Leitwert 20 . Y" erzeugten Strom. Auf die Eingangsspannung UE bezogen ist das Auflösungsvermögen u = U, . Y"/Y, wo Y der Leit- wert des Messwiderstandes R und U,. .
Y" der klein- ste binär gestufte Teilstrom sind. Die Abweichung tritt hierbei immer in der gleichen Richtung auf, ist also ein asymmetrischer Fehler.
Mit 5 ist nun in Fig. 1 eine Stromquelle für einen konstanten Zusatzstrom Ir, bezeichnet, durch welchen gemäss der Erfindung d er Messtrom IE um einen Betrag vergrössert wird, der gleich isst der Hälfte des kleinsten, binär gestuften Teilstromes.
Die Vergleichsanordnung 2 wird demnach vom Dif ferenzstrom .1I = 'E -f- Ir - IS :durchflossen. Durch die Erfindung wird erreicht, dass ;die durch das Auf lösungsvermögen a. entstehende Abweichung vom Sollwert symmetrisch und gleich a/2, .also nur noch die Hälfte ist. Anhand eines Zahlenbeispiels soll dies verdeutlicht werden.
In einem Analog-Digital-Umsetzer gemäss Fig. 1 habe der Messwiderstand einen Leitwert Y von 0,5 . 10-3 Ohm-1. Ferner sei der kleinste binär gestufte Teilstrom Ur .
Y" = 20 uA. Es soll nun eine ana loge Spannung U" von 38 mV umgesetzt werden, und zwar vorerst ohne Zusatzstrom Ir. Die analoge Spannung UE erzeugt einen durch .den Widerstand R fliessenden Strom IE von 19 u.A. Der Differenzstrom in der Vergleichsanordnung 2 ist also mit .der letzten binären.
Stufe (Schalter S" , zugesdhalteter Widerstand R") negativ, so dass der Schalter S" wieder geöffnet wird. Die Abweichung des digitalen Messwertes O vom analogen Messwert ist demnach 19 uA bzw. 38 mV.
Durch die Einführung des konstanten Zusatz stromes I,, von der Grösse 20 uA/2 = 10 uA zum Messtrom IE ist der totale, der Verglei hsanordnung 2 von der Eingangsseite zugeführte Strom IE -i- Ir = 29 ttA. Beim Schliessen des Schalters S1 fliesst durch den Widerstand R1 mit dem Leitwert 21 .
Y" ein Strom h von 40 uA. Der Differenzstrom AI = 'E -f- 1I; - IS = -11 uA in der Vergleidhsanordnung 2 ist demnach negativ, sodass der Schalter S1 wieder geöffnet wird. In der Folge wird der Schalter S" geschlossen, was einen durch .den Widerstand R" fliessenden Strom IS von 20 uA bewirkt.
Da nun der Differenzstrom AI in der Vergleichsanordnung 2 po- sitiv ist, nämlich -i-9 uA, bleibt der Schalter So ge schlossen. Die Abweichung des von dieser letzten binären Stufe (S", R") erzeugten Stromes (20 uA) vom Sollwert (19 uA) ist also bloss noch 1 uA. Die Abweichung ist im Extremfall 10 u1A, beispiels weise bei der Umsetzung eines Messtromes von 10 tlA, 30 uA usw.,
gegenüber einer maximalen Ab weichung von 20 uA bei den herkömmlichen Um setzern.
In dem in Fig. 2 schematisch gezeigten Ausfüh rungsbeispiel des Analog-Digital-Umsetzers ist wie derum mit 1 die Quelle der umzusetzenden analogen Spannung Ur bezeichnet. Der positive Pol dieser Spannungsquelle liegt am Eingang des Trennver stärkers 6, der eine Spannungsverstärkung von 1 bei beispielsweise einem Eingangswiderstand von min destens 30 Megohm und einen Ausgangswiderstand von etwa 0,025 Ohm aufweist. Die Ausgangsspan nung des Trennverstärkers 6 ist also die gleiche wie die Messpannung Ur", sie liegt aber über einem we sentlichen kleineren Widerstand.
Zwischen dem Aus gang des Trennverstärkers 6 und dem Verbindungs punkt A liegt der Messwiderstand von beispielsweise 2000 Ohm. Der Verbin,d:ungspunkt A stellt eine vir tuelle Erde dar, so d'üss in ihm einmal ein der Mess- spannung UE proportionaler Strom Ir fliesst.
Im Verbind'un.gspunkt A .fliesst ferner mit glei chem Vorzeichen der Zusatzstrom<B>11</B> ". Dieser wird einer konstanten Spannungsquelle 7 über ein Poten- tiometer 8 und' einen hodholimigen Widerstand 9 von beispielsweise 1 Megohmentnommen.
Schliesslich fliesst im Verbindungspunkt A mit entgegengesetztem Vorzeichen der durch die Refe- renzs:pannungsquelle 3 und zugeschaltete Wider stände erzeugte Summenstrom l,. Die Teilstrom- schalter s" ... s,; bestehen wiederum .aus einem Schal ter und einem zugehörigen Widerstand, wobei die Leitwerte der Widerstände eine geometrise'he Reihe 20. Y" ... 26. Y" bilden.
Der im Verstärker 10 verstärkte Differenzstrom AI = Ir -I- Ir - IS ist dem Eingang des Kodierregi- sters 11 zugeleitet.
Das Kodierregister, das im we sentlichen in bekannter Weise aus. :einem Schiebe- register und einem Halteregister besteht, welch letz- teres Stufen STO ... STe mit bistabilen Kippsdhaltunsgen aufweist, bewirkt in an sich bekannter Weise die Betätigung der Teilstroms.chalter so ... s,;.
In der Fi gur sind als Schalter mechanische Schalter einge zeichnet. Diese werden zweckmässigerweise durch elektronische, beispielsweise transistorisierte Schal- ter gebildet, welche durch Steuerpotentiale auf den strichliniert eingezeichneten Steuerleitungen des Ko- dierregisters 11 betätigt werden. Hierbei ist jedem Teilstromsdhalter s" ... s,; fortlaufend eine Stufe ST, ... ST,; des Kodierregisters 11 zugeordnet.
Fer ner ist ein Taktgeber 12 vorgesehen, der Trigger- impulse für das Kodierregister liefert.
Durch den ersten Triggerimpuls wird der Teil stromschalter s,; geschlossen. Je nachdem, ob der Strom im Verbindungspunkt A positiv oder negativ ist, wird durch den nächsten Triggerimipuls :die Stufe ST6 des Kodierregisters unbeeinflusst gelassen, so dass der Schalter s6 geschlossen bleibt, oder in die andere stabile Lage gekippt, so :dass der Sehalter ss wieder geöffnet wird.
Der gleiche Vorgang wiederholt sich der Reihe .nach für alle weiteren Stufen bis zur letzten Stufe STO bzw. so. Am Ende des Zyklus ent hält das Kodierregister 11 einen der analogen Ein gangsspannung UI, proportionalen digitalen Wert <I>k .</I> 2 <I>... k .</I> 2E. Der Zusatzstrom Ir ist so bemessen, :
dass er den halben Wert des niedrigsten Teilstroms, also des Stromes des Teilstromschalters so aufweist.