Der Dual – Slope – Umsetzer ist einer in der Messtechnik am häufigsten eingesetzter Umsetzer. Er zeichnet sich durch hohe Genauigkeit aus und wird daher in Digitalvoltmetern bevorzugt verwendet. Dual Slope ist aus dem Englischen übernommen worden und bedeutet „ 2 Flanken“. Dieser Name kennzeichnet das Prinzip, dass zwei Flanken einer Integrationsspannung ausgewertet werden. Die Umsetzung erfolgt in zwei Schritten.

1. Schritt:

Die Eingangsspannung UE wir während der definierten Zeit (T1) integriert. Dabei entsteht eine negativ ansteigende Integrationsspannung ui, da der Verstärker invertierend arbeitet.Nach der Zeit T1 ergibt sich am Integratorausgang eine Spannung, die dem Mittelwert der Eingangsspannung ue proportional ist.

Integrationskonstante

Die konstante Zeit wird mit Hilfe des Zählers und der Frequenz des Taktgenerators

festgelegt. Der Zähler wird mit den Impulsen des Taktgenerators einmal bis zum maximalen Zählerstand durchgezählt. Die Integration beginnt beim Zählerstand 0 und endet, wenn der Zähler nach dem Überlauf wieder auf 0 zurückschaltet.

Mit dieser Impulszahl ergibt sich die Integrationszeit:

T0 ... Periodendauer des Taktgenerators

Die Maximalspannung lässt sich dadurch auch als

ausdrücken.

2. Schritt:

Nach der Zeit T1 wird am Eingang des Integrators auf die Referenzspannung umgeschaltet, die eine entgegengesetzte Polarität wie die Eingangsspannung hat. Damit wird nun die Ausgangsspannung des Integrators linear auf 0 zurückgeführt, nach der Gleichung:

Der Zähler zählt in dieser Phase die Impulse des Taktgenerators weiter, bis er bei gestoppt wird. Die Zeit der Rückintegration läßt sich aus dem Zählerstand N und der Periodendauer T0 des Taktgenerators ermitteln:

Damit erhält man für den Fall die Beziehung:

Mit der Gleichung zur Berechnung der Maximalspannung des Integrators erhält man eine Bestimmungsgleichung für die Spannung uE:

Die Gleichung zur Bestimmung der Spannung uE zeigt, dass weder die Periodendauer des Taktgenerators noch die Integrationszeitkonstante in den Umsetzvorgang eingehen. Lediglich die Referenzspannung hat Einfluss auf das Ergebnis. Beim Nulldurchgang der Integratorspannung wird die Torschaltung gesperrt, so dass keine weiteren Impulse in den Zähler gelangen. Der Zählerstand wird in den Speicher übertragen (Speicher – SET), danach schaltet die Steuereinrichtung den Integrator wieder auf die Eingangsspannung zurück, der Zähler wird zurückgesetzt. Beim Nulldurchgang von beginnt nun ein neuer Messzyklus. Das Bild der Spannungsverläufe für den Dual - Slope Umsetzer zeigt für zwei Eingangsspannungen und den Verlauf der Integrationsspannung. Während die Zeit T1

jeweils die gleiche ist, wird die Zeit T2 spannungsabhängig und proportional der Eingangsspannung:

,

Der Analog – Digital – Umsetzer nach dem Dual – Slope – Verfahren setzt die analoge Eingangsspannung mit sehr großer Genauigkeit in eine Impulszahl um. Die Genauigkeit wird von der Referenzspannung bestimmt, der Taktgenerator und der Integrator gehen nicht in die Messung ein.

Schaltungsbedingte Fehler:

Offset – Fehler

Der Offset – Fehler äußert sich als Parallelversatz der idealen Kennlinie und wird in mV oder % FSR (Full Scale Range) angegeben. Dieser Fehler ist abgleichbar.

Verstärkungsfehler

Durch diesen Fehler hat die Kennlinie eine andere Steigung als die ideale Kennlinie, daraus folgt, dass der Fehler bei FSR am größten ist. Um diesen Fehler abzugleichen, muss man Verstärker oder Dämpfungsglieder vor den ADC setzen.

Linearitätsfehler (Integral Non – Linearity)

Dieser Fehler ist von großer Bedeutung, denn er kann nicht abgeglichen werden. Es ist eine unregelmäßige Abweichung von der idealen Kennlinie.

Fehlende Codes (Missing Codes)

Dieser Fehler ist im Prinzip auch ein Linearitätsfehler, und zwar ein Differential Non – Linearity – Fehler, d.h. nur ein oder mehrere digitale Werte können nicht angezeigt werden.