DE2201440A1 - Schaltungsanordnung fuer die automatische Drift-Korrektur von Analog-Digital-Wandlern - Google Patents

Description

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG,

FREIBURG I.B.

Schaltungsanordnung für die automatische Drift-Korrektur von Analog-Digital-Wandlerη

Die Priorität der Anmeldung Nr. 7 101 236 vom 15. Januar 1971 in Frankreich wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft eine Scha 1.Lungsanordnung zur automatischen Drift-Korrektur von Analog-Digital-Wandlern, d.h. eine Schaltungsanordnung, die praktisch die nachteiligen Drift-Effekte der in einem solchen Wandler enthaltenen Gleichspannungsverstärker unterdrückt. Die Erfindung ist bei einem doppelflankigen Analog-Digital-Wandler anwendbar, jedoch ist es klar, daß sie auch bei jeder ähnlichen Schaltung angewendet warden kann.

Ein doppelflankiger Analog-Digital-Wandler, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, bestellt im wesentlichen aus einer Integrationsstufe, die von einem ersten Gleichspannungsdifferenzverstärker AI hoher Verstärkung mit zugeordnetem Integrationskondensator CI ge- Ij. iflct wird, und einer Vergleichsstufe, die aus einem zweiten Ctfjichrjuannungsdifferenzverstärker AC hoher Verstärkung besteht. Wenn der invertierende Eingang (-) des Differenzverstärkers AI durch den Eingangsschalter CE mit Masse verbunden wird und wenn

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der nichtinvertierende Eingang (+) ebenfalls mit Masse verbunden wird, ist dessen Ausgang im Prinzip ebenfalls auf Masse potential, ebenso wie der Ausgang S des Verstärkers AC. Der Analog-Digital-Wandler ist somit im Ruhezustand.

Zur Messung verbindet der Eingangsschalter CE zunächst den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers AI mit der zu messenden Spannungsquelle Vx während eines bestimmten Zeitintervalls T. Der Kondensator CI wird von einem konstanten Strom aufgeladen, der gleich Vx/R ist, und erreicht die Ladung Vx · T/R, wobei R der Widerstandswert des zwischen den Eingangsschalter CE und den invertierenden Eingang des Differenzverstärker AE geschalteten Widerstands ist. Unter der Annahme, daß die Spannung Vx positiv ist, wird der Ausgang des Differenzverstärkers AI negativ, und der Verstärker AC liefert ein positives Signal.

Danach verbindet der Eingangsschalter CE den Eingang des Differenzverstärkers AI mit einer Referenzspannungsquelle Vr, deren Polarität derjenigen der Spannung Vx entgegengesetzt ist. Der Kondensator CI wird von einem konstanten Strom entladen, der gleich Vr/R ist. Das Ende der Entladung wird von der Vergleichsstufe AC angezeigt, deren Ausgang dann auf das Potential null zurückkehrt. Die Dauer t der Entladung ist derart, daß Vr · t/R = Vx · T/R wird; sie ist somit proportional Vx. Es ist leicht, die Ent Ladungsdauer t und somit auch die Spannung Vx mittels einer Wechselspannung genügend hoher Frequenz zu bestimmen, deren Perioden zwischen dem Augenblick, in dem der Eingangsschalter CE an der Spannung Vr liegt, und demjenigen, in dem der Ausgang S auf das Referenz potential zurückkehrt, gezählt werden.

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Damit ein solcher Analog-Digital-Wandler korrekt arbeitet und eine Eingangsspannung Vx in ein proportionales Zeitintervall t genau umwandelt, ist es nötig, daß, wenn der invertierende Eingang des Differenzverstärkers AI mit Masse verbunden wird, sein Ausgang ebenfalls auf Masse-Potential liegt und ebenso der Ausgang S des Verstärkers AC. In praxi ist dies jedoch nicht der Fall. Wie Untersuchungen zeigen, besitzen Gleichspannungsverstärker eine unkontrollierbare Drift. Bei nichtvorhandener Eingangsspannung des Verstärkers liefert dessen Ausgang eine Spannung, die nicht nur nicht null ist, sondern sogar eine hohe Amplitude aufweisen kann. Um diese Ausgangsspannung zu null zu machen, muß man dem Eingang eine Spannung zuführen, die im Verhältnis zur Verstärkung des Differenzverstärkers zwar klein, aber nicht null ist, die als Drift-Spannung bezeichnet wird. Dieses bekannte Problem wird im betrachteten Fall noch dadurch verschärft, daß zwei Differenzverstärker in Serie geschaltet sind und daß der zweite die Ausgangsspannung des ersten verstärkt.

Die Erfindung betrifft somit eine Schaltungsanordnung für die automatische Driftkorrektur von Analog-Digital-Wandlern oder anderen Analogschaltungen mit einem ersten Gleichspannungsdifferenzverstärker, der einen ein Ruhesignal oder Arbeitssignale erhaltenden invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang aufweist, und mit einem zweiten Gleichspannungsdifferenzverstärker, der einen invertierenden, vom Ausgang des ersten Differenzverstärkers gesteuerten Eingang aufweist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung zur automatischen Korrektur anzugeben, die die Drift-Effekte der Differenzverstärker bei einem Analog-Digital-Wandler der beschriebenen Art unterdrückt. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung bei jeder Analog-Schaltung anwendbar ist. Dies wird

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erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Speicherkondensator, ein Zusatzschalter und Steuermittel derart angeordnet sind, daß bei Anliegen des Ruhesignals am invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers der Schalter den Ausgang des zweiten Differenzverstärkers mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers verbindet, daß bei Anliegen der Arbeitssignale am invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers der Schalter geöffnet ist und den Ausgang des zweiten Differenzverstärkers vom nichtinvertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers trennt, der Speicherkondensator jedoch mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden bleibt und daß der Speicherkondensator für die Aufrechterhaltung des Korrektursignals dimensioniert ist.

Die verschiedenen Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt, wie bereits erwähnt, das theoretische Schaltbild eines doppelflankigen Analog-Digital-Wandler s, und

Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Analog-Digital-Wandlers mit automatischer Drift-Korrektur nach der Erfindung.

Hinsichtlich der Beschreibung der Fig. 1 wird auf die einleitenden Ausführungen verwiesen. Die Fig. 2 zeigt den Analog-Digital-Wandler nach Fig. 1, dem jedoch zum Zweck der Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung eine automatische Drift-Korrektor-Schaltung zugeordnet ist. Diese Schaltung besteht wie diejenige von Fig. 1 aus dem Eingangsschalter CE, dem Widerstand R, dem Integrationskondensator CI, dem als Integrationsverstärker wirkenden Differenzverstärker AI und dem als Vergleichsverstärker wirkenden Differenz-

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verstärker AC. Die automatische Drift-Korrektur-Schaltung nach der Erfindung besteht nach diesem Ausführungsbeispiel aus dem Zusatzschalter CE¹ und dem Speicherkondensator CM.

Der Zusatzschalter CE¹ ist gleichartig aufgebaut wie der Schalter CE und arbeitet synchron mit diesem. Andererseits ist der Kondensator CM dauernd mit dem nichtinvertierenden Eingang des Vergleichverstärkers AI verbunden.

Außer in den Meßperioden befinden sich die Schalter CE und CE¹ in ihrer nach der Zeichnung unteren Stellung. Wie man sieht, liegt der invertierende Eingang des Differenzverstärkers AI an Masse. Der Ausgang des Differenzverstärkers AC ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers AI verbunden. Jede, beispielsweise positive, am Ausgang S des Differenzverstärkers AC vorhandene Spannung wird zum Differenzverstärker AI übertragen, der sie erheblich verstärkt, da seine Verstärkung groß ist, und sie immer positiv dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers AC zuführt. Dies hat zur Folge, daß am Ausgang des Differenzverstärkers AC eine negative Spannung entsteht, die der positiven Spannung, die sie hervorgerufen hat, entgegenwirkt. Daher wird der Ausgang S praktisch auf Nullpotential gehalten, und die Schaltung ist stabil.

Andererseits muß man auch den Fall betrachten, daß beide Differenzverstärker eine gewisse Drift besitzen. Man betrachtet zunächst die Drift des Differenzverstärkers AI, wobei der Differenzverstärker AC ohne Drift vorausgesetzt wird. Die Drift des Differenzverstärkers AI führt beispielsweise zu einer positiven Spannung an seinem Ausgang. Diese Spannung wird vom Differenzverstärker AC verstärkt und invertiert, um dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers AI

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derart zugeführt werden zu können, daß die Drift, die sie hervorgerufen hat, kompensiert wird. Die dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers AI zugeführte Spannung ist daher gleich dessen Drift-Spannung. Die Kompensation ist praktisch vollständig, und die zwischen den Differenzverstärkern AI und AC vorhandene Spannung ist nur schwach positiv, was unter Berücksichtigung der hohen Verstärkung des letzteren ausreichend ist, um einen der Driftspannung des ersteren gleichen Viert zu liefern.

Wenn man nun die Drift des Differenzverstärkers AC betrachtet, führt diese ebenfalls zu einer beispielsweise positiven Spannung an dessen Ausgang. Diese Spannung wird vom Differenzverstärker AI verstärkt und dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers AC zugeführt. Somit wird die Drift kompensiert. Die Schaltung stabilisiert sich, wenn die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers AI gleich der Drift-Spannung des Differenzverstärkers AC ist.

Für den Fall, daß sich die Schalter CE und CE¹ in ihrer unteren Schalterstellung befinden, stabilisiert sich die Schaltung nach Fig. 2, wenn die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers AI gleich der Drift-Spannung des Differenzverstärkers AC ist, während die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers AC gleich der Drift-Spannung des Differenzverstärkers AI ist. Der Kondensator CM lädt sich unter dem Einfluß dieser Spannung auf.

Nun ist aber die Drift-Spannung von Differenzverstärkern im allgemeinen aufgrund der sehr hohen Verstärkung dieser Verstärker sehr niedrig, was beträchtliche nachteilige Effekte hervorrufen kann. Die beschriebene Schaltung ermöglicht es jedoch, die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers AC

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auf dem Drift-Spannungs-Niveau des Differenzverstärkers AI zu halten, d.h. auf einem sehr niedrigen Wert. Dasselbe

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gilt für das Ausgangsspannungsniveau AI. Praktisch verbleiben die Ausgänge der beiden Differenzverstärker auf Nullpotential, die somit den Anforderungen eines Analog-Digital-Wandlers entsprechen.

Andererseits kann der Fall eintreten, daß der invertierende Eingang des Differenzverstärkers AI, der über den Widerstand R und den in der unteren Schalterstellung befindlichen Schalter CE mit Masse verbunden ist, beispielsweise aufgrund von Restströmen nicht ganz auf Nullpotential liegt. Wenn man voraussetzt, daß der invertierende Eingang des Differenzverstärkers AI beispielsweise positiv ist, wird der Ausgang des Differenzverstärkers AI negativ. Diese Spannung wird jedoch vom Differenzverstärker AC verstärkt und so invertiert, daß sie dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers AI in solchem Sinne zugeführt wird, daß die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers AC praktisch nicht beeinflußt wird. In jedem solchen Falle ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers AC und somit auch die der ganzen Schaltungsanordnung gleich und entgegengesetzt der Eingangs-Störspannung, womit es leicht ist, diese zu beherrschen. Andererseits muß die Tatsache betont werden, daß die Ausgängsspannung des Differenzverstärkers AI praktisch nicht beeinflußt wird, so daß die Funktion des Analog-Digital-Wandlers nicht gestört wird.

Während einer Meßperiode überstreichen die Schalter CE und CE¹ nacheinander die mittlere und obere Schaltstellung. Dadurch wird der Eingang des Differenzverstärkers AC vom Eingang des Verstärkers AI getrennt, jedoch bleibt der Kondensator CM mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers AC verbunden. Dieser Kondensator wird unter dem Einfluß einer

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Spannung aufgeladen, die gleich ist derjenigen/ die den Ausgang des Differenzverstärkers AI praktisch auf Nullpotential hält. Der Kondensator wird vorteilhafterweise so bemessen, daß er seine Ladespannung praktisch unverändert während der ganzen Meßperiode behält. Ebenso wird eine praktisch vollständige Kompensation der Drift des Differenzverstärkers AI aufrechterhalten und eventuell auch die Kompensation einer am invertierenden Eingang des Verstärkers AI auftretenden Störspannung. Die Auf- und Entladunasvorgänge des Integrationskondensators CI laufen ebenso ohne jegliche Störbeeinflussung ab, wodurch eine große Genauigkeit bei der Umwandlung der Eingangsspannung in ein proportionales Zeitintervall und somit in einen entsprechenden Digitalwert erreicht wird.

1 Patentanspruch

1 Blatt Zeichnungen

mit 2 Figuren

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Claims (1)

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   PATENTANSPRUCH

   Schaltungsanordnung für die automatische Driftkorrektur von Analog-Digital—Wandlern oder anderen Analogschaltungen mit einem ersten Gleichspannungsdifferenzverstärker, der einen ein Ruhesignal oder Arbeitssignale erhaltenden invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang aufweist, lind mit einem zweiten Gleichspannungsdifferenzverstärker, der einen invertierenden, vom Ausgang des ersten Differenzverstärker gesteuerten Eingang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherkondensator (CM) ein Zusatzschalter (CE¹) und Steuermittel derart angeordnet sind, daß bei Anliegen des Ruhesignals am invertierenden Eingang (-) des ersten Differenzverstärkers (AI) der Schalter den Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (AC) mit dem nichtinvertierenden (+) Eingang des ersten Differenzverstärkers verbindet, daß bei Anliegen der Arbeitssignale am invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers der Schalter geöffnet ist und den Ausgang des zweiten Differenzverstärkers vom nichtinvertierenden Eingang des ersten DifferenzVerstärkers trennt, der Speicherkondensator jedoch mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden bleibt und daß der Speicherkondensator für die Aufrechterhaltung des Korrektursignals dimensioniert ist.

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