Schaltungstechnik

558 8 Analog/Digitale Schnittstelle
Der Sägezahn ist so auszulegen, dass beim höchsten Spannungswert die größtmögliche
zu wandelnde Eingangsspannung U 1,max erreicht wird. Kritisch ist die
Genauigkeit der Sägezahn-Zeitkonstante, die aufgrund von Temperatureinflüssen
und von Langzeitdriften Schwankungen unterliegt.
Als nächstes wird das Zwei-Rampenverfahren (Dual-Slope) betrachtet. In Bild
8.4-3 ist das Schaltungsprinzip und in Bild 8.4-4 das zugehörige Zeitdiagramm
dargestellt. Beim Zwei-Rampenverfahren wird die Eingangsspannung und dann
die Referenzspannung integriert (bei U 1 > U Ref ) . Nach Rücksetzung des Umsetzers
sind in der Ausgangslage die Schalter S1, S2 offen und der Schalter S3 ist
geschlossen. Die Ausgangsspannung des Integrator-Verstärkers LV1 liegt bei 0V,
der Zähler steht auf Null. Zu Beginn der Umsetzung wird der Schalter S3 geöffnet
und der Schalter S1 mit der Steuerspannung U St1 geschlossen. Der Integrator (LV1
mit C1) integriert die Eingangsspannung U 1 . Das Ende der ersten Integrationsphase
ist erreicht, wenn der Zähler nach (Z max + 1) Takten überläuft und dann wiederum
auf Null gesetzt wird. Im Bild 8.4-4 ist beispielhaft Z max = 15. Mit T als
Taktperiode und = R 1 C 1 als Integrationszeitkonstante erhält man am Ausgang
des Integrators nach der Zeit t 1 die Spannung:
U1 t1 U1 Zmax + 1
T
UInt = – -------------- = – --------------------------------------------- ;
(8.4-1)
Nachdem am Ende der ersten Integrationsphase der Zähler den Überlauf erreicht
hat und wieder auf Null steht, beginnt die zweite Integrationsphase bei der die
Referenzspannung URef integriert wird. Dazu wird der Schalter S1 geöffnet und der
Schalter S2 muss mit der Steuerspannung USt2 geschlossen werden. Das Vorzeichen
der Referenzspannung ist entgegengesetzt zum Vorzeichen der Eingangsspannung.
Somit verringert sich die Spannung am Ausgang des Integrators. Der Zähler
zählt bei der Abwärtsintegration mit und ermittelt das Zählergebnis Z beim Nulldurchgang
am Ausgang des Integrators; der Zähler wird gestoppt. Beim Erreichen
des Nulldurchgangs am Ende der zweiten Integrationsphase ist:
U1 Zmax + 1
T+ URef Z T = 0;
(8.4-2)
Damit erhält man für das Zählergebnis:
U1 Z = – ---------- Z (8.4-3)
U max + 1;
Ref
Das Zählergebnis ist unabhängig von der Taktfrequenz und von der Integrationszeitkonstante.
Bei hinreichend konstanter Taktfrequenz während der Integrationsphase
können Genauigkeiten von ca. 0,01% erzielt werden, was einer Auflösung
eines 14Bit-A/D-Wandlers entspricht. Angewandt wird das Zwei-Rampenverfahren
vielfach u.a. bei digitalen Voltmetern.