Beschreibung Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierenden A/D- Wandler, umfassend

einen Messspannungseingang zum Anlegen einer zu

digitalisierenden, analogen Messspannung, der über einen

Messwiderstand mit dem invertierenden Eingang eines

Integrators verbunden ist,

einen ersten Referenzspannungseingang zum Anlegen einer ersten Referenzspannung und einen zweiten

Referenzspannungseingang zum Anlegen einer zweiten

Referenzspannung, wobei der erste und der zweite

Referenzspannungseingang mittels eines ersten

Referenzspannungsschalters alternativ zueinander über einen ersten Referenzwiderstand mit dem invertierenden Eingang des Integrators verbindbar sind,

einen dem Integrator nachgeschalteten Komparator zum Vergleichen einer an seinem Komparator-

Testspannungseingang anliegenden Testspannung mit einer an seinem Komparator-Referenzspannungseingang anliegenden Komparator-Referenzspannung, wobei der Komparator-

Testspannungseingang mit dem Ausgang des Integrators verbunden ist, und eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, den ersten Referenzspannungsschalter getaktet zu betätigen und

Zeitintervalle zwischen einzelnen Schaltvorgängen zu messen .

Stand der Technik

Derartige Analog/Digital- andler, kurz A/D-Wandler, die dem Wandeln einer analogen Messspannung in ein digitales Signal dienen, sind vielfach bekannt. Ein Prinzipschaltbild eines solchen A/D-Wandlers 10 ist in Figur 1 dargestellt. Das „Kernstück" des A/D-Wandlers 10 ist der Integrator 12, der einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang 122, einem nicht-invertierenden Eingang 123 und einem Ausgang 124 sowie einen Kondensator 125 umfasst, der zwischen dem invertierenden Eingang 122 und dem Ausgang 124 des

Operationsverstärkers 122 geschaltet ist. Der nicht- invertierende Eingang 123 des Operationsverstärkers 121 ist gegen eine Referenzspannung, insbesondere gegen Masse

geschaltet. Der invertierende Eingang 122 ist über den

Messwiderstand R _M mit dem Messspannungseingang 14 verbunden, an den bei Betrieb die Messspannung U _M angelegt wird.

Außerdem ist der invertierende Eingang 122 über einen

Referenzwiderstand R _ref mit dem Referenzspannungsschalter 16 verbunden, der je nach Schaltstellung alternativ entweder den ersten Referenzspannungseingang 18 oder den zweiten

Referenzspannungseingang 20 elektrisch ankoppelt. An den Referenzspannungseingängen 18, 20 liegt jeweils eine

Referenzspannung U _ref i bzw. U _re f2 an, die typischerweise zueinander umgekehrte Polarität haben und den gleichen oder unterschiedliche Spannungswerte aufweisen können. Insbesondere bei monopolaren Messspannungen U _M kann eine der Referenzspannungen auch Null sein, d.h. der entsprechende Referenzspannungseingang ist offen oder gegen Masse

geschaltet. Der Integratorausgang 126, ist mit dem

Testspannungseingang 221 eines Komparators 22 verbunden, dessen Referenzspannungseingang 222 gegen eine Komparator- Referenzspannung geschaltet ist, die z.B. Masse sein kann. Der Komparator 22 gibt an seinem Ausgang 223 jeweils ein Signal oder eine Signaländerung aus, wenn die am

Testspannungseingang 221 anliegende Testspannung der am

Referenzspannungseingang 222 anliegenden Referenzspannung entspricht. Das Komparator-Ausgangssignal ist über eine

Steuereinrichtung 40 als Schaltsignal zum

Referenzspannungsschalter 16 rückgekoppelt.

Ein derartiger A/D-Wandler arbeitet wie folgt: In einer ersten Phase eines Messtaktes T ist der

Referenzspannungsschalter 16 so geschaltet, dass der erste Referenzspannungseingang 18 angeschlossen ist. Während dieser Phase integriert der Integrator die Summe aus dem Messstrom I _M , der sich aus dem Spannungsabfall der Messspannung Ü _M über dem Messwiderstand R _M ergibt, und dem Referenzstrom I re _f i ^ der sich aus dem Spannungsabfall der ersten Referenzspannung U _{re f} i über dem Referenzwiderstand R _ref ergibt, auf. Nach einer von der Steuereinrichtung 40 vorgegebenen Zeit tl schaltet der Referenzspannungsschalter 16 um, sodass der erste

Referenzspannungseingang 18 abgekoppelt und der zweite

Referenzspannungseingang 20 angekoppelt wird. Der Integrator integriert nun die Summe aus Messstrom I _M und dem

Referenzstrom I _re f2, der sich durch den Spannungsabfall der zweiten Referenzspannung u _re f2 über dem Referenzwiderstand R _re f ergibt, ab. Bei diesem Beispiel sind die Polaritäten von Messspannung U _M und erster Referenzspannung U _re fi

entgegengesetzt und die Polaritäten von Messspannung U _M und zweiter Referenzspannung U _re f2 gleich. Die auf- bzw.

abintegrierte Spannung liegt jeweils am Integratorausgang 126 und somit am Testspannungseingang 221 des Komparators 22 an. Diese zweite oder Abintegrationsphase hat eine Dauer τ.

Sobald die Integratorspannung vollständig abintegriert ist, ergeht ein Komparator-Signal, welches von der

Steuereinrichtung 40 genutzt wird, um den

Referenzspannungsschalter 16 erneut umzuschalten und einen neuen Messtakt zu beginnen. Außerdem kann die

Steuereinrichtung 40, die während des vergangenen Messtaktes T die Zeitdauern der beiden Messtaktphasen tl = Τ-τ und τ gemessen und insbesondere das Verhältnis der Dauer der zweiten Messphase τ zur Gesamtdauer T des vergangenen

Messtaktes, d.h. den Tastgrad δ = τ/Τ berechnet hat, einen entsprechenden Zahlenwert ausgeben, der ein Maß für die während des Messtaktes anliegende Messspannung U _M ist.

Aus der DE 28 21 146 B2 ist ein integrierender A/D-Wandler bekannt, bei dem die Referenzspannung als von der

Eingangsspannung teilweise überlagerte Spannung unter

Verwendung eines Umkehrverstärkers ausgebildet wird.

Aus der US 4,270,119 ist ein integrierender A/D-Wandler bekannt, bei dem im Referenzzweig eine invertierte

Referenzspannung überlagert wird. Aus der GB 2 120 481 A ist ein integrierender A/D-Wandler bekannt, bei dem eine Sensorkalibrierung bzw. -linearisierung durch Beschaltung mit einem Widerstand zwischen

Eingangsspannung und Referenzspannung vorgenommen wird.

Nachteilig bei den bekannten A/D-Wandlern ist die nichtlineare Abhängigkeit derVerlustleitung vom Tastgrad δ und somit von der Höhe der Messspannung, d.h. vom Messwert selbst. Insbesondere lässt sich die Verlustleistung als

Funktion des Tastgrades δ berechnen als

Ρ ² _ef2 + 2I _{ref ref2} )

Eine derartige nicht-lineare Abhängigkeit des A/D-^andlers von der zu digitalisierenden Größe ist für viele

Präzisionsmessungen nicht tragbar. Als Beispiel seien nach dem Prinzip der Kraftmesskompensation arbeitende

Präzisionswägeeinrichtungen genannt, bei denen die am

Messspannungseingang 14 anliegende Messspannung U _M

proportional zu der Kraft ist, die auf einen Wägeaufnehmer wirkt. Messwertabhängige Verlustleistungen im A/D-Wandler führen zu einer messwertabhängigen Erwärmung, die ihrerseits Einfluss auf temperatursensitive Elemente der Elektronik hat, sodass systematische, messwertabhängige Messfehler entstehen können .

Aufgabenstellung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen

gattungsgemäßen A/D-Wandler derart weiterzubilden, dass die Abhängigkeit seiner Verlustleistung vom Messwert deutlich reduziert wird.

Darlegung der Erfindung

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des

Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass zwischen dem Messspannungseingang und dem Ausgang des

Referenzspannungsschalters ein die Messspannung

invertierender Inverter und ein erster Heizwiderstand RMH , der thermisch mit dem Messwiderstand R _M gekoppelt ist, hintereinander geschaltet sind.

Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es, einen

zusätzlichen Heizwiderstand R _M H vorzusehen, der als

Verlustleistung genau die Differenz der vom Messwiderstand R _M aufgenommenen Verlustleistung zu einer konstanten

Gesamtverlustleistung aufnimmt. Mit anderen Worten ist die Summe aus den Verlustleistungen, die vom Heizwiderstand R _MH und vom Messwiderstand R _M gemeinsam aufgenommen werden, stets gleich und unabhängig vom Messwert. Folglich bleibt der

Wärmeeintrag messwertunabhängig konstant. Dies gilt zumindest nach einer Einschwingphase, in der das thermische

Gleichgewicht erreicht wird. Der Widerstandswert des

Referenzwiderstandes R _re f ist bevorzugt gleich dem

Widerstandswert des Messwiderstandes R _M -

Die Funktionsfähigkeit der Erfindung ist ohne weiteres gegeben, wenn die Beträge der Referenzspannungen U _re fi und U _ref2 gleich und ihre Polaritäten einander entgegengesetzt sind. Dann nämlich fließt unabhängig vom Schaltzustand des Referenzspannungsschalters jeweils der gleiche Referenzstrom durch den Referenzwiderstand R _re f . In Fällen, in denen

unterschiedliche Referenzspannungsbeträge angelegt werden sollen, bedarf es zusätzlicher Maßnahmen, um die

Gesamtverlustleistung des A/D-Wandlers konstant zu halten. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass ein dem ersten Referenzspannungsschalter entgegengesetzt getakteter, zweiter Referenzspannungsschalter vorhanden ist, mittels dessen der erste und der zweite

Referenzspannungseingang alternativ zueinander über einen zweiten Heizwiderstand R _re fH der thermisch mit dem

Referenzwiderstand R _ref und dem Messwiderstand R _M gekoppelt ist, mit Masse verbindbar sind. Dies bedeutet, dass jeweils diejenige Referenzspannung, die nicht am Referenzwiderstand Rref anliegt, über den zweiten Heizwiderstand R _re fH abfällt und eine entsprechende zusätzliche Verlustleistung erzeugt. Um allerdings sicherzustellen, dass die gesamte, an

Messwiderstand R _M , erstem Heizwiderstand R _M H

Referenzwiderstand R _re f und zweitem Heizwiderstand R _re fH

aufgenommene Verlustleistung messwertunabhängig konstant ist, ist, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, den Widerstandswert des zweiten Heizwiderstandes R _re fH genau halb so groß wie den Widerstandswert des ersten

Heizwidertandes R _M H ZU dimensionieren. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Gesamtverlustleistung insgesamt zwar höher als die Verlustleistung bei einem A/D-Wandler der zuvor beschriebenen Bauweise; im Gegensatz zu diesem erlaubt er jedoch die Verwendung betragsmäßig unterschiedlicher

Referenzspannungen . Das grundsätzliche Betriebsverfahren für einen

erfindungsgemäßen A/D-Wandler entspricht uneingeschränkt dem oben detailliert erläuterten Betriebsverfahren für A/D- Wandler nach dem Stand der Technik.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den

Zeichnungen .

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Es zeigen:

Figur 1: Ersatzschaltbild eines A/D-Wandlers gem. Stand der Technik,

Figur 2: Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform

eines erfindungsgemäße A/D-Wandlers,

Figur 3: Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen A/D-Wandlers,

Figur 4: ein schematisches Diagramm des Spannungsverlaufs am Integratorausgang der A/D-Wandler gem. Figuren 2 und 3.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Figur 1 zeigt einen A/D-Wandler gem. Stand der Technik und wurde bereits eingangs detailliert beschrieben. Die Figuren 2 und 3 zeigen vorteilhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen A/D-Wandlers, wobei gleiche Bezugszeichen in allen Figuren auf gleiche oder analoge Bauteile hinweisen. Figur 4 zeigt ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der

Integratorausgangsspannung, wie er bei jedem der A/D-Wandler der Figuren 1 bis 3, d.h. sowohl bei einem A/D-Wandler gem. Stand der Technik als auch bei einem erfindungsgemäßen A/D- Wandler auftritt. Nachfolgend sollen die erfindungsgemäßen A/D-Wandler im Wesentlichen durch Erläuterung ihrer

Unterschiede zu dem A/D-Wandler gem. Figur 1 beschrieben werden.

Der A/D-Wandler 10' der Figur 2 unterscheidet sich in zwei Aspekten von dem A/D-Wandler 10 der Figur 1. Erfindungsgemäß ist sein Messspannungseingang 14 über einen Inverter 24, d.h. über einen Spannungsverstärker mit Verstärkungsfaktor „-1", und den Heizwiderstand R _MH mit dem Ausgang des

Referenzspannungsschalters 16 verbunden. Der Widerstandswert des Heizwiderstands R _MH ist gleich dem Widerstandswert des Messwiderstandes R _M . Ebenso ist der Widerstandswert des

Referenzwiderstandes R _ref gleich dem Widerstandswert des

Messwiderstandes R _M - Die resultierende

Verlustleistungskonstanz des A/D-Wandlers gem. Figur 2 lässt sich mathematisch wie folgt zeigen: Über einen Messtakt T gemittelt gilt

/ _M r+ / _re/1 r + / _re/2 (r-r) = 0

Die an Mess-, Heiz- und Referenzwiderstand R _M , R _MH und R _re f anfallende Gesamtverlustleistung lässt sich schreiben als

Mit und Einsetzen der obigen Gleichung für den Messstrom I _M und Umformung mittel Ohmschen Gesetzes fallen alle Abhängigkeiten von δ heraus, sodass die Verlustleistung tastgradunabhängig und damit messwertunabhängig ist.

Der zweite Aspekt, in dem sich der A/D- andler 10' der Figur 2 von dem A/D-Wandler 10 der Figur 1 unterscheidet, ist die Ausgestaltung der am Referenzspannungseingang 222 des

Komparators 22 angelegten Komparator-Referenzspannung .

Während beim A/D-Wandler 10 von Figur 1 hier schlicht Masse anliegt, ist beim A/D-Wandler 10' von Figur 2 der Ausgang eines zusätzlichen Integrators 30 mit dem Komparator- Referenzspannungseingang 222 verbunden. Der zusätzliche

Integrator 30 umfasst einen Operationsverstärker 301 mit einem invertierenden Eingang 302, einem nicht-invertierenden Eingang 303 und einem Ausgang 304. Während der nicht- invertierende Eingang 303 gegen Masse geschaltet ist, ist der invertierende Eingang 302 über einen Kondensator 305 mit dem Ausgang 304 verbunden. Der Eingang des Integrators 30 liegt über einen Eingangswiderstand 32 am Ausgang 126 des

Integrators 12 an. Die Wirkungsweise des zusätzlichen

Integrators 30 liegt darin, dass er das Ausgangssignal des Integrators 12 mittelt und invertiert und dieses gemittelte Signal als Komparator-Referenzspannung dem Komparator 22 zur Verfügung stellt. Mit anderen Worten wird also im Komparator 22 das Integratorausgangssignal des Integrators 12 nicht mehr mit Masse verglichen, sondern mit seinem eigenen Mittelwert. Dadurch liegt am Kondensator 125 des Integrators 12 ein

Spannungssignal ohne Gleichanteil an. Hierdurch werden gleichspannungsbedingte Störungen des Kondensators 125, wie beispielsweise Fehlströme und dielektrische Absorption vermieden oder zumindest reduziert. Hierdurch wird es

möglich, ohne Einbußen in der Funktionalität im Integrator 12 qualitativ weniger hochwertige Kondensatorentypen als

Kondensator 125 zu verwenden, was sich in einer deutlichen Kostenreduktion der Schaltung bzw. einer Verbesserung der Messqualität niederschlägt. Nachteile in Bezug auf die erfindungsgemäße Verlustleistungskonstanz des A/D-Wandlers ergeben sich nicht, da die von dem Eingangswiderstand 32 des zusätzlichen Integrators 30 aufgenommene Verlustleistung tastgradunabhängig ist. Wie erläutert muss zur Erzielung der erfindungsgemäßen

Verlustleistungskonstanz bei einem A/D-Wandler gem. Figur 2 eine betragsmäßige Gleichheit der Referenzspannungen U _re fi und U _re f2 bestehen. Ist diese Einschränkung aus irgendwelchen Gründen nicht erwünscht und soll dennoch die erfindungsgemäße Verlustleistungskonstanz erhalten bleiben, ist eine

Erweiterung der Schaltung wie in Figur 3 gezeigt

erforderlich. Bei dem in Figur 3 dargestellten A/D-Wandler 10'' ist parallel zu dem ersten Referenzspannungsschalter 16' ein zweiter Referenzspannungsschalter 17 vorgesehen, der gegenläufig zum ersten Referenzspannungsschalter 16'

geschaltet ist, d.h. jeweils den anderen Referenzspannungseingang mit dem jeweiligen Schalterausgang verbindet. Die jeweils nicht über den Referenzwiderstand R _re f abfallende Referenzspannung fällt somit über den zweiten Heizwiderstand R _re fH ab. Die Funktionsweise dieser

Ausführungsform lässt sich mathematisch wie folgt

beschreiben :

Über einen Messtakt lässt sich auch hier der Messstrom I _M schreiben als:

J _M T + I^T + I^ ₂ (T - T) = 0

Die an Messwiderstand R _M , Referenzwiderstand R _re fr erstem Heizwiderstand R _MH und zweitem Heizwiderstand R _re fH anfallende Verlustleistung lässt sich demnach beschreiben durch:

Mit

Einsetzen der obigen Formel für den Messstrom I _M und

Umformung mittels Ohmschen Gesetzes lässt sämtliche

Abhängigkeiten vom Tastgrad δ verschwinden, sodass auch hier die Gesamtverlustleistung messwertunabhängig ist. Allerdings liegt der (konstante) Gesamtbetrag der Verlustleistung höher als beim A/D- andler 10' der Figur 2, nämlich um die am zusätzlichen Heizwiderstand R _re fH anfallende Verlustleistung.

Selbstverständlich ist auch diese Ausführungsform, wie in Figur 3 gezeigt, durch einen zusätzlichen Integrator am

Komparator-Referenzeingang 222 des Komparators 22

erweiterbar, um gleichspannungsabhängige Effekte am

Kondensator 125 zu vermeiden. Zur Erläuterung wird auf das oben zu Figur 2 gesagte verwiesen.

Figur 4 zeigt schematisch den Spannungsverlauf über dem

Kondensator 125 des Integrators 12, wie er bei den

erfindungsgemäßen A/D-Wandlern gemäß den Figuren 2 und 3 auftritt. Während einer ersten Phase tl eines Schalttaktes, während der der Referenzspannungsschalter 16 bzw. 16' die erste Referenzspannung U _ref i kontaktiert, wird über dem

Kondensator 125 eine sich aus der Summe von Messstrom I _M und erstem Referenzstrom I _r efi resultierende Spannung

aufintegriert . Die Dauer dieser ersten Phase tl ist von der Steuereinrichtung 40 vorgegeben und in jedem Messtakt gleich. Eine zweite Messtaktphase τ beginnt mit dem Umschalten des Referenzspannungsschalters 16 bzw. 16', sodass die Spannung über den Kondensator 125 gemäß der Summe der

gleichgerichteten Ströme I _M und I _r ef2 abintegriert wird. Die zweite Messphase τ wird durch ein Signal des Komparators 22 beendet, welches ergeht, sobald die

Komperatoreingangsspannung, d.h. die über dem Kondensator 125 anliegende Spannung gleich der Komparator-Referenzspannung ist. Die Gesamtdauer T des Messtaktes entspricht der Summe aus tl + τ . Die Komparator-Referenzspannung ist

üblicherweise, z.B. auch bei dem A/D-Wandler gemäß Figur 1, gleich Null. Bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 3 ist die Komparator-Referenzspannung jedoch von Null verschieden. Insbesondere ist sie mittels des zusätzlichen Integrators 30 um den Mittelwert der im vergangenen Messtakt über den Kondensator 125 anliegenden Spannung versetzt, insbesondere aufgrund der invertierenden Wirkung des

zusätzlichen Integrators 30 „nach unten" versetzt. Mit anderen Worten pendelt die Spannung über dem Kondensator 125 exakt um Null, was einer Wechselspannung ohne Gleichanteil entspricht. Gleichspannungsabhängige Kondensatoreffekte werden auf diese Weise vermieden.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung

diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden

Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen

Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere sind die spezielle

Dimensionierung der einzelnen Bauteile sowie die Wahl der zeitlichen Taktung vom Fachmann an die Erfordernisse des Einzelfalls anzupassen.

Bezugszeichenliste

10, 10', 10" A/D-Wandler

12 Integrator

121 Operationsverstärker von 12

122 invertierender Eingang von 121

123 nicht-invertierender Eingang von 121 124 Ausgang von 121

125 Kondensator von 12

126 Ausgang von 12

14 Messspannungseingang

16, 16' Referenzspannungsschalter

17 zweiter Referenzspannungsschalter

18 erster Referenzspannungseingang

20 zweiter Referenzspannungseingang

22 Komparator

221 Testspannungseingang von 22

222 Referenzspannungseingang von 22

223 Ausgang von 22

24 Inverter

30 zusätzlicher Integrator

301 Operationsverstärker von 30

302 invertierender Eingang von 301

303 nicht-invertierender Eingang von 301

304 Ausgang von 301

305 Kondensator von 30

32 Eingangswiderstand vor 30

Messwiderstand RMH erster Heizwiderstand

Rref Referenzwiderstand

RrefH zweiter Heizwiderstand

UM Messspannung

IM Messstrom

Urefl erste Referenzspannung

Irefl erster Referenzstrom

U _re f2 zweite Referenzspannung

Iref2 zweiter Referenzstrom

T Messtaktdauer

tl Dauer der Aufintegrationsphase τ Dauer der Abintegrationsphase