DISPOSITIVO PARA LA CONVERSION ANALOGICA/DIGITAL DE UNA TENSION DE MEDIDA.

Dispositivo para la digitalización de una tensión (U e) de medida,

con un convertidor (1) analógico/digital que presenta un elemento (2) integrador con un amplificador (OP1) operacional, con una resistencia (R) y con una capacidad (C) en el circuito de realimentación, aplicándose en la entrada invertible del amplificador (OP1) operacional una tensión (Uref) de referencia, y aplicándose en la entrada no invertible del amplificador (OP1) operacional, la tensión (Ue) de medida, cargándose el condensador (C) durante una fase de carga con un tiempo (t 1) de carga, y descargándose durante una fase de descarga con un tiempo (t 2) de descarga, correspondiendo la suma de tiempo (t 1) de carga y tiempo (t2) de descarga a la duración (T) de un periodo, comprendiendo además el convertidor (1) analógico/digital un comparador (3) conectado a continuación del amplificador (OP1) operacional, un elemento (4) de memoria conectado a continuación del comparador (3), un generador (6) de tiempo que produce el tiempo (t 1) de carga y un contador (8), aplicándose en la entrada invertible del comparador (3), la tensión (U a) de salida del elemento (2) integrador, y en la entrada no invertible del comparador (3), una tensión (Uth) umbral, facilitando el convertidor (1) A/D en su salida, una señal (Uout) de salida modulada por la duración del impulso, con flancos y con la duración (T = t1 + t2) del periodo, detectando el contador (8) los flancos o la duración (T = t1 + t2) del periodo de la señal (Uout) de salida modulada por la duración del impulso, caracterizado porque la tensión (U ref) de referencia y el tiempo (t 1) de carga, son constantes, de manera que la tensión (U e) de entrada es inversamente proporcional a la duración (T) del periodo, y estando previsto un elemento (5) de sincronización que dentro de una duración predeterminada de la medida con una multitud de fases de carga y de descarga, sincroniza los flancos de la señal (Uout) de salida modulada por la duración del impulso, con el ritmo del contador (8), llevándose a cabo una conmutación entre las fases de carga y descarga mediante la sincronización con el contador (8) para una tensión (U a) de salida que está situada por encima de la tensión (U th) umbral, con lo que dentro de la duración predeterminada de la medida, se genera un ciclo de n valores de la medida con la resolución del contador (8)

Dispositivo para la conversión analógica/digital de una tensión de medida.

La invención se refiere a un dispositivo para la digitalización de una tensión de medida.

Un procedimiento para la digitalización, o sea para la conversión de una tensión analógica de entrada en un número digital proporcional a la amplitud, lo plantea el procedimiento de conteo. Acondicionamientos del procedimiento de conteo son el procedimiento de una rampa y el procedimiento de dos rampas, integrándose mediante un elemento integrador, en el procedimiento primeramente citado, tan sólo la tensión de entrada, y en el procedimiento citado en segundo lugar, la tensión de entrada y la tensión de referencia.

La duración del periodo para la digitalización de una señal de medida se establece mediante la suma del tiempo t₁ de descarga y del tiempo t₂ de descarga de un condensador que está dispuesto en el circuito de realimentación del elemento integrador. La conmutación entre la fase de carga y la fase de descarga, se lleva a cabo respectivamente en el momento cuando la tensión de salida del elemento integrador alcanza una tensión umbral predeterminada. Esto se materializa mediante un comparador conectado a continuación, en una de cuyas entradas está aplicada la tensión de salida del elemento integrador, y en su otra entrada, la tensión umbral, como se muestra, por ejemplo, en el documento US-B-62853.10.

Para medir la duración del periodo de la señal de salida modulada por la duración del impulso, se registra mediante un contador el tiempo entre dos flancos ascendentes o dos descendentes de la señal de salida modulada por la duración del impulso. La resolución en la determinación de la duración del periodo es aquí función de la frecuencia del ritmo del contador: Cuanto mayor sea el ritmo del contador, tanto mejor es la resolución en el tiempo. Por ejemplo si el contador funciona con el ritmo f del contador, para la mínima modificación ?t del tiempo que se pueda medir, es válido

?t = 1/f

Los convertidores A/D conocidos son naturalmente tanto más caros cuanto mayor sea su resolución. Además, la resolución de los convertidores A/D conocidos, está normalmente predeterminada fija, de manera que normalmente se propone para empleo, un convertidor A/D adaptado óptimamente al respectivo caso de aplicación.

En la metrología de procesos, la tendencia va en la dirección de aparatos de medida de muchos parámetros, o sea, aparatos de medida que estén en condiciones de medir varias magnitudes diferentes del proceso, físicas o químicas. En las magnitudes de procesos se trata, por ejemplo, de la temperatura, la presión, el estado de carga, el caudal, el valor del pH, la concentración de iones, la conductividad, etc., de un medio de medida. La "bondad" de una medición se determina en principio por la exactitud de la medida y/o por a resolución en el tiempo de la medición, o sea la frecuencia de la medida. Normalmente estas dos exigencias son contradictorias: Para una medición de gran precisión se necesita un tiempo correspondientemente largo; por el contrario si está limitado el tiempo para una medición, la elevada frecuencia de medición, va a costa de la exactitud de la medida. La solución la proporcionan los convertidores A/D que son correspondientemente rápidos y que al mismo tiempo tienen una alta resolución de bits. El inconveniente de estos convertidores A/D es que son relativamente caros, lo que eleva notablemente los costes de fabricación para los aparatos de medida.

Precisamente con respecto a aparatos de medida de muchos parámetros, se agrega todavía otro aspecto: En la metrología de procesos, a la preparación del valor de la medida, que corresponde en la digitalización, a las señales de medida que representan las magnitudes individuales del proceso, se imponen diferentes exigencias con respecto a la exactitud de la medida y con vistas a la resolución en el tiempo: Como ejemplo se cita la temperatura, una magnitud de proceso que normalmente varía con relativa lentitud a lo largo del tiempo, puesto que en el caso normal no se presentan saltos repentinos ningunos de temperatura. No obstante se exige precisamente a las mediciones de temperatura por lo regular una gran precisión de la medida. A este respecto se cita el control y/o regulación de la temperatura en un proceso químico. Puesto que la temperatura se modifica con relativa lentitud, para el registro del valor de temperatura se dispone relativamente de mucho tiempo.

Completamente diferente aparece, por ejemplo, en una medición de presión: Aquí es necesario poder detectar también saltos de presión de aparición repentina. Esto sólo es posible cuando la duración de la medida es correspondientemente corta; no obstante, en caso de muchas mediciones de presión, la exactitud de la medida es de menor importancia. A este respecto es razonable pues encontrar un compromiso, o una solución flexible que permita adaptar el registro del valor de la medida a las respectivas exigencias impuestas con respecto a la exactitud de la medida y con respecto a la duración de la medida.

La misión de la invención se basa en facilitar un dispositivo barato para la digitalización de señales de medida que se pueda adaptar en forma flexible a la respectiva tarea de medida.

La misión se resuelve mediante un dispositivo con la estructura siguiente: El convertido analógico/digital presenta un elemento integrador con un amplificador operacional, con una resistencia y con una capacidad en el circuito de realimentación. En la entrada invertible del amplificador operacional está aplicada una tensión de referencia, y en la entrada no invertible del amplificador operacional, está aplicada la tensión de medida o la tensión de entrada. Durante una fase de carga de una duración predeterminada de tiempo, se carga el condensador, y durante una fase de descarga, se descarga el condensador.

Además el convertidor analógico/digital comprende un comparador conectado a continuación del amplificador operacional, un elemento de memoria conectado a continuación del comparador, un generador de tiempo que produce el tiempo de carga y un contador, detectando el contador los flancos (o la duración del periodo) de la señal de salida modulada por la duración del impulso, facilitada por el convertidor A/D en la salida. En el elemento de memoria, según un acondicionamiento preferente, se trata de un multivibrador biestable de disposición - reposición. Por lo demás está previsto un elemento de sincronización que al menos dentro de una duración predeterminada de medida, sincroniza los flancos de la señal de salida modulada por la duración del impulso, con el ciclo del contador.

Como ya se ha dicho antes, sin sincronización de la señal de salida modulada por la duración del impulso, con el ciclo del contador, se lleva a cabo la conmutación entre la fase de carga y la fase de descarga, siempre exactamente al alcanzar la tensión umbral ajustada o predeterminada, o sea, en el instante en el que la carga almacenada durante la fase de carga en el condensador del elemento integrador, está descargada de nuevo. Según la invención, los flancos de la señal de salida modulada por la duración del impulso, se sincronizan con el ciclo del contador mediante un elemento de sincronización. Por ello la conmutación entre la fase de descarga y la fase de carga, no tiene lugar al alcanzar la tensión umbral, sino ya en el siguiente ciclo del contador, o sea, para un valor de la tensión que está situado por encima de la tensión umbral. Así pues el elemento integrador se fuerza a que a pesar de llegar a la tensión umbral, continúe integrando hasta la presentación del siguiente ciclo del contador. De este modo se produce una carga residual en el condensador del elemento integrador. Este proceso se repite en cada conversión subsiguiente. Las cargas residuales se suman hasta que por fin, después de un cierto número de conversiones, se produce una variación brusca del valor de contador.

Según un acondicionamiento preferente del dispositivo según la invención, está previsto un reloj secuenciador que proporciona un ritmo del sistema, y sincronizando el elemento de sincronización, el contador, el convertidor analógico/digital y el generador de tiempo, con el ritmo del sistema. La ventaja de este acondicionamiento de que todos los ciclos se dirijan por el mismo ritmo del sistema, se ve en que derivas del ritmo que se pueden presentar, por ejemplo, a causa de variaciones de temperatura o durante un largo tiempo de funcionamiento, no tienen ninguna influencia sobre...

1. Dispositivo para la digitalización de una tensión (U_e) de medida, con un convertidor (1) analógico/digital que presenta un elemento (2) integrador con un amplificador (OP1) operacional, con una resistencia (R) y con una capacidad (C) en el circuito de realimentación, aplicándose en la entrada invertible del amplificador (OP1) operacional una tensión (U_ref) de referencia, y aplicándose en la entrada no invertible del amplificador (OP1) operacional, la tensión (Ue) de medida, cargándose el condensador (C) durante una fase de carga con un tiempo (t₁) de carga, y descargándose durante una fase de descarga con un tiempo (t₂) de descarga, correspondiendo la suma de tiempo (t₁) de carga y tiempo (t₂) de descarga a la duración (T) de un periodo, comprendiendo además el convertidor (1) analógico/digital un comparador (3) conectado a continuación del amplificador (OP1) operacional, un elemento (4) de memoria conectado a continuación del comparador (3), un generador (6) de tiempo que produce el tiempo (t₁) de carga y un contador (8), aplicándose en la entrada invertible del comparador (3), la tensión (U_a) de salida del elemento (2) integrador, y en la entrada no invertible del comparador (3), una tensión (U_th) umbral, facilitando el convertidor (1) A/D en su salida, una señal (U_out) de salida modulada por la duración del impulso, con flancos y con la duración (T = t₁ + t₂) del periodo, detectando el contador (8) los flancos o la duración (T = t₁ + t₂) del periodo de la señal (U_out) de salida modulada por la duración del impulso, caracterizado porque la tensión (U_ref) de referencia y el tiempo (t₁) de carga, son constantes, de manera que la tensión (U_e) de entrada es inversamente proporcional a la duración (T) del periodo, y estando previsto un elemento (5) de sincronización que dentro de una duración predeterminada de la medida con una multitud de fases de carga y de descarga, sincroniza los flancos de la señal (U_out) de salida modulada por la duración del impulso, con el ritmo del contador (8), llevándose a cabo una conmutación entre las fases de carga y descarga mediante la sincronización con el contador (8) para una tensión (U_a) de salida que está situada por encima de la tensión (U_th) umbral, con lo que dentro de la duración predeterminada de la medida, se genera un ciclo de n valores de la medida con la resolución del contador (8).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que está previsto un microprocesador que forma el valor medio de los n valores de medida, con lo que la resolución del convertidor (1) A/D se eleva al menos en el factor n.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que está previsto un conmutador (7) analógico que conmuta la tensión (U_ref) de referencia que se aplica en la entrada invertible del amplificador (OP1) operacional, entre dos valores diferentes de tensión (U_H, medida).

4. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 3, en el que como tensión (U_ref) de referencia se proporciona en la entrada invertible del amplificador (OP1) operacional, la tensión (Q₂) que está disponible en la salida del elemento (6) de sincronización.

5. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que como tensión (U_ref) de referencia se proporciona en la entrada invertible del amplificador (OP1) operacional, la tensión (Q₁) que está disponible en la salida del elemento (4) de memoria.

6. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que en el elemento (4) de memoria, se trata de un multivibrador biestable de disposición - reposición.

7. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 4, en el que en el elemento (5) de sincronización, se trata de un multivibrador biestable de datos.

8. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el contador (8) presenta una entrada capture-compare, estando conectado el contador (8) durante la duración predeterminada de medida, y detectando los flancos de la señal (U_out) de salida modulada por la duración del impulso, como valores del contador, y estando previsto un microprocesador que determina la tensión (U_e) de entrada a partir de los valores del contador, en especial mediante la formación de un valor medio de varios valores del contador.

9. Dispositivo según la reivindicación 1 u 8, en el que al microprocesador está coordinada una unidad de memoria, almacenándose en la unidad de memoria el número de las interrupciones (I) producidas por los flancos de la señal (U_out) de salida modulada por la duración del impulso, y calculando el microprocesador (9) la tensión (U_e) de entrada tras transcurrir la duración de medida, según la fórmula siguiente:

en donde la variable Z₁ corresponde al primer valor del contador, en donde Z representa los valores siguientes del contador, que se almacenan recubriendo los datos en la unidad de memoria, y en donde la magnitud I refleja el número de las interrupciones contadas durante la duración de la medida, y representando a, una constante.

10. Dispositivo según la reivindicación 8 ó 9, en el que el microprocesador reconoce sub y sobretensiones, y genera una señal de error.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, en el que el microprocesador se adapta a la duración de la medida, de manera que se impide la aparición de sub y sobretensiones.

12. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, en el que el contador (8) funciona con el ritmo (T_S) del sistema.