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Linearisierungsvorrichtung für Analog-Digitalumsetzer einer beliebigen Ausführung
Bei Verarbeitung von Betriebswerten benutzt man oft die Umsetzung der Analogsignale in Digitalcoden. Das Analogsignal pflegt nicht immer von dem Wert der Messgrösse linear abhängig zu sein. Von dem Analog-Digitalumsetzer muss jedoch diese Eigenschaft bei der Umsetzung auf Digitalcoden respektiert werden. Da es sich immer um die Umsetzung einer grösseren Anzahl nichtlinearer Werte handelt, ist es notwendig, eine geeignete Linearisierungsart herauszufinden, die möglichst wenig Bauelemente erfordert.
Diese Forderung wird durch die Vorrichtung gemäss der Erfindung erfüllt. Das Wesen derselben beruht darin, dass das der Messgrösse entsprechende Signal in mehrere parallele Übertragungskanäle geführt wird, dass in jedem Kanal je eine Einrichtung zum Multiplizieren mit einem Faktor vorgesehen ist, welcher Faktor für jede Messgrösse im allgemeinen verschieden ist und dass sich weiter in jedem Kanal ein unver- änderlicher Funktionswandlef befindet, wobei die Ausgänge der einzelnen Kanäle in eine Summiervorrichtung eingeführt sind, welche entweder auf der Analog- oder auf der Digitalseite angeordnet sein kann.
Die unveränderlichen Funktionswandler konnen gemäss emer weiteren Ausgestaltung der Erfmdung so ausgeführt sein, dass sie Potenzen des Eingangssignals bzw. des Ausgangssignals bilden.
In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung sind Blockschematas gezeigt, die ein Beispiel einer möglichen Schaltung gemäss der Erfindung darstellen. Es bedeuten : 1 die Gesamtheit der Vorrichtung zur Einstellung
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Analog-Digitalumsetzer einer beliebigen Ausführung.
Alle diese Elemente sind an sich bekannt und von einer bekannten Ausführung.
Zur Erklärung der Funktion der erfindungsgemässen Vorrichtung wird angenommen, dass die umzusetzende Grösse x durch das Signal s ausgedrückt ist, welches durch die Abhängigkeit s=f (x) (1) gegeben ist und dass es möglich ist, die Funktion f (x) in der Umgebung x = 0 als eine Reihe
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auszudrücken, deren Koeffizienten a.. ai...... an auf bekannte Weise ermittelt werden können. Führt man jetzt eine neue veränderliche Grösse s* = f (x) - ao ein, so dass
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und für x = o auch s* = o und umgekehrt gilt.
Man bildet jetzt die Komponenten der Potenzen von s*
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auf solche Weise, dass erstens bei deren Summation die Potenzen von x, mit der zweiten Potenz begin- j nend, verschwinden, also
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und dass zweitens die Summe der Zl sich dem Wert x nähert.
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Aus diesen Bedingungen folgt :
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Bei einer verhältnismässig klemen Mchtlinearnät von f (x) (Gleichung 2) genügt es, der Reihe nur einige der ersten Glieder zu entnehmen. Bei einer grösseren Nichtlinearität ist es möglich, auch eine Reihe mit Bruchzahl-Exponenten k für den Ausdruck
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zu benutzen.
An Hand eines Beispiels soll nun gezeigt werden, dass es tatsächlich zu einer Linearisierung kommt : Es sei zum Beispiel s* =2x +0, 2x2+0, 02 x wobei x in den Grenzen von 0 bis 1 veränderlich ist. Es sollen zur Linearisierung bloss zwei Komponenten, d. h. s* und (s*)2 benutzt werden. Dann erhält man aus den vorstehend abgeleiteten allgemeinen Formeln
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und die Summe der beiden Komponenten (gemäss Gleichung 4) ergibt
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macht, wogegen er bei der ursprünglichen Funktion s* etwa 11 % betrug. Wendet man mehrere Kompo- nenten zi an, so sinkt der Anteil der nichtlinearen Komponenten noch mehr und er konvergiert gegen Null für eine unendliche Zahl von Komponenten.
Ein Blockschema der auf dem Prinzip der Reihenentwicklung (Gleichung 4) arbeitenden Vorrichtung ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Ein gemeinsames Merkmal ist, dass das umzusetzende gemessene Sig- nal f (x) - ao in einige Komponenten mit verschiedenen Koeffizienten Ai unterteilt wird. Die Koeffi- zienten werden von der Einrichtung 1 eingestellt. Bei einer elektrischen Vorrichtung sind die Elemente 1 für die Bildung und Einführung der Koeffizienten Al bis An als Potentiometer ausgebildet. Jede Komponente des Signals unterliegt dann einer bestimmten selbständigen Verarbeitung. Gemäss Fig. 1 wird das Signal in einfache unveränderliche Wandler 2 der Funktion gi (x) geleitet. Bei elektrischer Realisierung der erfindungsgemässen Vorrichtung können die Elemente 2 z.
B. als von denAnalog-Rechenmaschinen her bekannte Halbleiterfunktionswandler ausgebildet werden. Die Ausgänge aus den einzelnen Wandlern 2 werden im Summator 3 addiert. Die Ausgangsgrösse des Summators wird in den Analog-Digitalumsetzer 4 einer beliebigen Ausführung geführt. Die Umsetzung wird also für alle Komponenten gemeinsam ausgeführt. Es ist allerdings auch eine andere Alternative denkbar, wo jede der Komponenten gesondert umgesetzt und die Summierung erst auf der Digitalseite durchgeführt wird. Ein Beispiel ist in Fig. 2 veranschaulicht. Hier wird ein Umsetzer 4 einer Kompensationstype benutzt. In diesem Fall ist es möglich, Funktionswandler für gi (x) entweder auf direktem Wege zu benutzen oder Wandler mit inverser Funktion gui t (z) im Kompensationszweig (wie in Fig. 2 veranschaulicht).
Ein grosser Vorteil des Linearisierungsverfahrens nach dem Prinzip der Reihenentwicklung (Glelchung 4) ist, dass die Koeffizienten Ai für die einzelnen Komponenten der Messgrösse bei jeder abgetasteten Stelle fest vorgesehen werden können. Weiters ist es möglich, wenn das Summieren auf der Digitalseite vorausgesetzt wird, die Umsetzungen der einzelnen Komponenten nacheinander durchzuführen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Linearisierungsvorrichtung für Analog-Digitalumsetzer einer beliebigen Ausführung für eine stufenweise Umsetzung vieler nichtlinearer Funktionen von Messgrössen, dadurch gekennzeichnet, dass das der Messgrösse entsprechende Signal in mehrere parallele Übertragungskanäle geführt wird, dass in jedem Kanal je eine Einrichtung (1) zum Multiplizieren mit einem Faktor vorgesehen ist, welcher Faktor für jede Messgrösse im allgemeinen verschieden ist, und dass sich weiter in jedem Kanal ein unveränderlicher Funktionswandler (2) befindet, wobei die Ausgänge der einzelnen Kanäle in eine Summiervorrichtung (3) eingeführt sind, welche entweder auf der Analog- oder auf der DigitalseLte angeordnet sein kann.