CN1987363A - 校正模拟放大器的输出信号的方法、放大器模块和测量设备 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的方法用于校正模拟放大器的传递误差，所述传递误差起因于在跟随由开关导致的放大器输入信号中的跳跃时所述模拟放大器物理上受限的能力方面受到物理限制。在包括至少一个传感器及连在所述传感器上的信号处理部件和模拟放大器的测量设备中——其中该信号处理部件包括至少一个调制器和/或多路复用器、模拟放大器、以及在电路链中跟随该模拟放大器值的至少一个处理级——所述处理级根据开关跳跃出现时的时间点，借助于布置在该放大器和该处理级之间的开关，在预定的超时相位持续时间期间与该放大器分离，并且该处理级受超时控制器的控制，以及/或者根据开关跳跃出现时的时间点，所述处理级在预定的超时相位持续时间期间被超时控制器阻塞。
Description
技术领域
本发明涉及信号在信号处理部件中被放大、变换并被发送至输出设备的方法、放大器模块和测量设备。
背景技术
模拟放大器，特别是运算放大器和差分放大器被用在信号处理部件中，在所述信号处理部件中，对例如温度、湿度、力、或压力传感器的输出信号进行变换和处理。在大多数情况下，传感器和信号处理部件结合成所谓的测量设备并用在工业环境中。对信号处理部件有着严格要求的测量设备的一种重要的类型是力测量设备，特别是重量分析测量设备。
诸如热分析仪器、平衡、湿度测量仪器等等此类的重量分析测量设备包括基于不同设计的力测量单元，所述不同设计取决于对于它们的精确度和测量分辨率的要求。相对经济的设计的典型实例是具有变形体和应变计的力测量单元。
通常，基于应变计的力测量单元和测量设备依照电阻测量的原理运行。它们利用了这个现象：应变计的电阻与形变，即长度方面的相对变化成比例，而长度变化又与作用于力测量单元的力成比例。为了执行准确的测量，应变计常常以桥接电路的形式来加以连接。
桥接电路，以及半桥接电路，作为电路布置属于本领域公知技术，其中，用在桥接电路中的至少一个电阻器在其电阻值方面是可变的。这个条件被已知传感器中的许多满足了。例如，应变计的电阻根据它们所承受的形变而发生改变。
因为成本的原因并为了简单起见，一般为测量设备选择DC电源，因而也选择DC放大，尽管由于众所周知的技术限制，这个选择常常有缺点，特别是在模拟放大器中的诸如热电压误差和电压偏移误差此类的DC电压误差以及在整个电路中的过多的低频噪音。如果在所要求的从电阻器桥通向模拟放大器的电缆的连接接头处涉及不同的材料和温度，则热电压会在所述连接接头处出现。这些误差需要保持在可接受的公差限度之下，或者换句话说，测量信号需要清楚地突出于误差电压。
上述测量误差，诸如伴随在电路链中的模拟放大器中的热电效应、噪音和温度效应此类，常常是通过额外的AC调制和放大技术来减少的。这种调制和放大技术也在EP 0760936B2中公开了。载波频率发生器产生提供给桥接电路的AC电压信号(方波AC电压信号)。该桥的输出信号经由对称差分放大器传递到解调器。采用转换(changeover)开关形式的解调器是由载波频率发生器来控制的。
具有开关放大器的模拟放大器电路被用在许多应用中。在这种布置中，来自测量桥接电路的两个信号在一个测量相位期间借助于两个模拟转换开关而各自被传送到一个运算放大器。然而，在第二测量相位期间，信号连接被交错(cross over)，由此每一个信号被分别供应到另一放大器。这种传感器信号的交替转换被再次反转，例如采用与输入开关同相的另外两个模拟转换开关，替换地将两个放大的传感器信号放在直接的和交错的路径上。
这些概念提供了许多优点。
首先，运算放大器的偏移电压漂移可以得到抑制。在非开关差分放大器中，在差分放大器的两个输出信号已经彼此相减之后，除了放大的传感器信号之外，输出信号还是包含差分放大系数与两个运算放大器的偏移电压差的乘积。在开关差分放大器中，第一运算放大器的偏移电压在一个相位中被加到第一传感器信号，而第二运算放大器的偏移电压则被加到第二传感器信号。由于在第二测量相位期间传感器信号在被提供给运算放大器之前被交错，相同的传感器信号现在接收另一运算放大器的相应的偏移电压。因此，开关放大器的偏移电压差在每一个测量相位中改变它的极性。如果测量相位跟随彼此，例如以足够高的频率，那么借助于低通滤波器该极性改变将快得足以允许将它们从信号中除掉。
作为第二个优点，1/f噪音可以得到抑制。每一个运算放大器都在特定频率阈值以下在噪音方面出现显著增长，该增长近似地遵循1/f关系。在许多应用中，例如在具有应变计力测量单元的力测量设备中，只有静态的或改变很慢的信号是所关心的，例如在从0到1Hz的范围内的。对于非开关差分放大器，在这些低频上占优势的1/f噪音被叠加在测量信号上，由此放大的传感器信号的质量受到严重损害。对于开关差分放大器，在差分放大器或传感器的输入端上的转换开关导致静态的低频的传感器信号在该频率范围中与开关控制器的转换信号合并(folded)，其中，所述传感器信号被升高到转换信号的频率。如果后者远大于1/f频率阈值，那么仅仅运算放大器的白噪音被叠加在合并的传感器信号上，在该频率范围中白噪音在该点处小很多。白噪音在工程科学和自然科学中被称为物理噪音，其振幅在功率密度谱上恒定。随机信号的功率是通过在整个电阻(从负无穷大到正无穷大)上求它的功率密度谱的积分来获得的。因此，在理论的意义上白噪音具有无穷大的信号能量。但是，在实际情况中，白噪音的功率密度在很高的频率上衰退。
对于在差分放大器的输出端上的第二转换开关，传感器信号是关于它们再次合并到DC或低频的域中的频率特性的。此外，运算放大器的1/f噪音被第二转换开关向上合并到转换频率。随后这噪音可以借助于低通滤波器来抑制。
上面说明的概念对于任何所希望形状的调制都是基本有效的。传感器信号例如可以在差分放大器的输入端上加以正弦调制。因此在差分放大器的输出端上，信号可以借助于正弦控制的解调器来恢复。
在例如AC电压源是有效的情况下，或者如果首先要考虑长连接距离上的信号保存，就选择正弦信号。在实践中，采用方波信号的调制已经被接受，因为对电路设计的较低技术要求导致了低成本。这种类型的调制常常借助于模拟开关来实现。
对于方波AC调制，例如借助于模拟开关，放大器的输入信号瞬时地改变。然而，由于模拟放大器只具有受限的带宽和上升时间，它们的输出信号不能够立即跟随输入信号。如果上升时间是限制要素，那么放大器输出信号就近似于时间的线性函数而斜升。如果带宽是限制因素，那么放大器输出信号就将经历瞬态振荡并具有近似指数的衰减。无论如何，放大器输出信号等于放大器输入信号与放大因数的乘积的假定在瞬态振荡期间不再为真。然而该假定是基于恒定放大系数的。只要带宽和上升时间保持恒定，在放大器输出信号中由它们所导致的传递误差就可以看作恒定的。这些传递误差可以例如包括在是固定的数量的比例系数中并将因而消失。
最近，用于力测量单元的变形体的高度均匀的材料、先进制造方法以及精确应变计已经使得制造同样基于应变计技术的高分辨率的力测量单元成为可能。为了利用这些高分辨率的力测量单元的性能，信号处理部件不得不加以适配以满足新要求。
对具有相同构造的不同模拟放大器的广泛连续研究得出结论：从一个部件到下一个部件的模拟放大器的带宽和上升时间有时显示出结果的到处散布，另外，它们在可比较的温度条件下表现不同(参见图11)。在这上下文中术语“在部件之间散布”意思是在具有相同构造的元件在表现上彼此相互偏差。因而所述研究已经得出结论：瞬态衰减的速率是可变的，因此在振幅方面的合成误差也是可变的。因此，比例系数也是同样可变的，并同样受制于部件之间的散布和温度的影响。这些传递误差必须通过对执行部件之间的散布进行个别平衡和对温度效应进行补偿来去除。这种类型的程序大大增加了成本，并使得制造工艺和产品更加昂贵。
发明内容
因此，本发明的目的是创建一种用于校正传递误差的方法，该传递误差是由至少一个模拟放大器的物理上受限的工作能力引起的，所述至少一个模拟放大器是测量设备的信号处理部件的一部分。进一步的目的是创建根据该方法工作的放大器模块和测量设备。
满足这个目的的解决方案是通过具有在权利要求1、权利要求11、以及权利要求12中分别描述的特征的方法、放大器模块、以及测量设备来提供的。该发明有利的进一步展开的实施例在附加的权利要求中描述。
根据该发明的方法用来校正模拟放大器的传递误差，该传递误差起因于在跟随由开关导致的放大器输入信号中的突然间断，即跳跃时，模拟放大器物理上受限的能力。信号处理部件包括至少一个调制器和/或多路复用器、模拟放大器以及跟随该模拟放大器之后的至少一个处理级，其中
a)根据开关跳跃出现时的时间点，在模拟放大器之后的处理级在预定超时相位期间与所述模拟放大器分离，和/或
b)根据开关跳跃出现时的时间点，在模拟放大器之后的处理级在预定超时相位期间被阻塞。
用于控制超时的布置包括用于检测开关跳跃并因而用于触发超时相位的装置。如果测量装置配备有调制器和/或包括转换控制器的多路复用器，那么超时控制器的超时信号就可以根据转换控制器的转换信号来触发。
由于模拟放大器部分地显示出，从一个部件到下一个部件结果到处散布，另外，由于它们在可比较的温度条件下表现不同，超时相位的持续时间优选地根据该模拟放大器的上升时间来预定。如果超时相位的长度等于模拟放大器的上升时间与2和7之间的一个系数的乘积，就可以确信，在跟随该模拟放大器之后的处理级的信号输出之前，部件之间的散布以及在放大器输出信号中温度效应得到很大程度上的消除。模拟放大器的上升时间可以根据转换速率(slew rate)(单位为v/μs)来计算，转换速率通常列在放大器制造商的数据单中。
如果带宽是放大器的限制要素，输出信号就将近似地符合具有特征时间常数的指数函数。理想的是，超时相位的长度等于模拟放大器的时间常数与4和10之间的一个系数的乘积。所述时间常数可以例如通过计算或测量来得到。
因此作为一个切合实际的解决方案，超时相位的长度等于该放大器的上升时间或时间常数与2到10之间的一个系数的乘积，在每一种情况中该决策是由这两个中值比较大的那个来支配的。
在该发明的优选实施例中，在所述模拟放大器之后的处理级是借助于布置在所述模拟放大器和所述处理级之间的开关来与所述模拟放大器分离的，其中所述开关是通过超时控制器电路来激励的。
在本发明更进一步的实施例中，信号处理部件包括在模拟放大器之后的解调开关。所述调制器的转换控制器激励用于被调制信号的同步解调的解调开关，并且超时控制器通过发出超时信号，在超时相位期间将解调开关保持在高电阻水平或高电阻状态。
当然，在模拟放大器之后的处理级可以是模/数变换器电路，其中，超时相位是通过由超时控制器激励触发信号开关来产生的，并且其中，所述触发信号开关在超时相位期间中断A/D变换所必需的触发信号。
如果在模拟放大器之后的处理级是模/数变换器电路，那么超时相位就可以通过将所述超时控制器与触发信号发生器结合在一起来产生，所述触发信号发生器生成A/D变换所必需的触发信号。采用对触发信号发生器和超时控制器的这种组合控制，由超时控制器生成的超时信号在超时相位的持续时间期间叠加在触发信号上，或者该触发信号的生成被抑制或者被有延迟地激活。
对于该调制器和/或多路复用器来说，配备转换控制器是有利的，以便超时控制器的超时信号可以根据该转换控制器的转换信号来生成。
通常，将至少一个传感器的输出信号发送到放大器作为放大器输入信号。当然，借助于多路复用器也可以将至少两个传感器的输出信号顺序地发送给至少一个模拟放大器。
在该发明的有利实施例中，放大器输入信号或传感器的输入电压优选地是借助于调制器调制为方波电压信号。
上述信号处理模块也可以设计成供大量测量设备中使用的放大器模块。这种放大器模块或集成放大器模块包括至少一个调制器和/或具有至少一个转换控制器的多路复用器、在该链中跟随在调制器和/或多路复用器之后的至少一个模拟放大器、以及跟随该模拟放大器之后的至少一个处理级，其中，该处理级包括至少一个超时装置，用来以预定超时相位持续时间在放大器输出信号中产生超时相位。
所述信号处理部件也可以布置在除了所述至少一个信号处理部件之外还包括至少一个传感器的测量设备中。所述信号处理部件包括调制器和/或具有转换控制器的多路复用器。该调制器和/或多路复用器后面是至少一个模拟放大器，所述放大器后面是至少一个处理级。所述信号处理部件还包括至少一个超时装置，用来以预定超时相位持续时间在放大器输出信号中产生超时相位。
在所述测量设备的一个实施例中，所述调制器直接布置在所述模拟放大器的前面，用于对放大器输入信号的调制，以便避免上述关于偏移电压漂移和1/f噪音的问题。
在所述测量设备的优选实施例中，在调制器用于对传感器的电源电压的调制并因而用于对放大器输入信号的调制的布置中，所述调制器布置在所述至少一个传感器的前面。
在该发明的特别优选的实施例中，所述超时设备包括属于信号处理设备的开关和连接在所述开关上的超时控制器。理想的是，所述转换控制器的转换信号具有适合于激励所述超时控制器的特性，从而不需要任何额外元件用于对输入信号中开关跳跃的检测。
所述超时控制器可以采用不同的方式产生控制信号。可以例如通过额外信号发生器和将信号发生器的信号与转换信号组合在一起的异或元件来执行生成超时信号的功能。将信号发生器的信号和转换信号送到所述异或元件的信号输入端子。所述异或元件执行所谓的异或功能，这在U.Tietze，Ch.Schenk，“Halbleiterschaltungs-technik”(半导体电路设计)，第12版，第1次重印，Springer Verlag，Berlin 2002，第七章中进行了描述。输入值一旦不相等，所述异或元件的输出就呈现值1。因而，超时相位和相位持续时间是通过信号发生器信号相对于转换信号的相位偏移来控制的。
代替上述实现该发明的方式的是，当然也可以借助于用于检测信号跳跃出现的适合的检测器来监视放大器的输入信号。检测器一旦检测到开关跳跃，就将相应的信号发送到超时控制器，触发超时相位。
在更进一步的实施例中，所述测量设备包括解调开关，其布置在电路链中跟随所述模拟放大器之后。连接到所述调制器的转换控制器上的解调开关，包括集成在所述解调开关中的高阻抗开关级，或者所述解调开关可以保持在高阻抗状态。所述解调开关连接到超时控制器上，其中，所述转换控制器的转换信号具有适合于激励该高阻抗开关级的超时控制的特性，并且由所述超时控制器生成的超时信号可以与该转换信号结合或叠加在其上。
如果在所述测量设备中，跟随所述模拟放大器之后的处理级是模/数变换器电路，则所述超时装置就可以是触发信号开关和连接在所述触发信号开关上的超时控制器，其中，所述触发信号开关中断A/D变换所必需的触发信号。理想的是，在这种情况中，所述转换控制器的转换信号也用于激励或触发所述超时控制器。
对于在模拟放大器之后的处理设备是模/数变换器电路的测量设备，在所述测量设备中的更进一步的超时装置可以包括组合在一起的触发信号发生器和超时控制器，所述超时控制器用来生成A/D变换所必需的一个或更多触发信号，其中，所述转换控制器的转换信号适合于激励所述超时控制器，并且所述超时控制器用来释放或阻塞所述触发信号。
所述测量设备的所述至少一个传感器可以是湿度传感器、温度传感器、压力传感器、具有应变计的力测量单元、或依照电磁力补偿原理的力测量单元。
根据所述信号处理部件的设计，放大器输出信号在其已经通过对跳跃进行超时而得到“清除”之后，可以通过多种措施而变为期望是来自理想模拟或数字放大器的放大器输出信号的形式。在模拟类型的信号处理部件中，适配放大器输出信号的最简单方式是借助于R/C低通元件。这是和经典的取样与保持概念一致的。当然，如果超时相位中缺少的信号部分不是被桥接的而是设置为固定电压，例如0.0伏，也可以通过由在电路链中跟随A/D变换器之后的处理器施加校正系数，来校正离开A/D变换器的数字化测量信号。
在高精确度的测量设备中，迄今还必须使用具有很高精确度的放大器，以便满足所要求的准确度。这些精确且快速的放大器非常昂贵并且消耗大量的电流。因此使用根据该发明的方法提供了一种没有问题的方式，来使用非常经济且精确度稍差的放大器而不损害测量设备的准确度。这在这样的情况中特别真实：信号处理部件具有在电路链中彼此跟随的几个放大器并且所有放大器的误差都是借助于在所述放大器链的末端的单个超时装置来消除的。
当然，每一个单独的放大器也可以具有它自己的超时装置。理想的是，这种类型的设计概念实现为用于执行前述方法的集成放大器模块。
附图说明
以下参考附图来更详细地说明该发明，其中：
图1示意地说明了一个测量设备，该设备具有以惠斯通电桥形式指示的传感器，并具有装备有超时装置的信号处理部件，该超时装置包含开关和连接在该开关上的超时控制器；
图2示出了图1的测量设备，该设备具有包括信号发生器和异或元件的超时控制器；
图3示意地示出了一个测量设备，该设备具有以惠斯通电桥形式指示的传感器并具有装备有超时装置的信号处理部件，该超时装置包含集成在解调器中的高阻抗开关级，以及连接在该解调器上的超时控制器；
图4说明了在图1、2和3中出现的最重要的信号波形；
图5示意地说明了一个测量设备，该设备具有以惠斯通电桥的形式指示的传感器或者具有力测量单元，并具有装备有超时装置的信号处理部件，该超时装置包含触发信号开关和连接在该触发信号开关上的超时控制器，其中该触发信号开关中断A/D变换所必需的触发信号发生器的触发信号；
图6说明了在图5中出现的最重要的信号波形；
图7示意地示出了一个测量设备，该设备具有以惠斯通电桥的形式指示的传感器或者具有力测量单元，并具有装备有超时装置的信号处理部件，该超时装置包含触发信号开关与超时控制器的结合，其中该超时控制器导致触发信号的释放或阻塞；
图8说明了在图7中出现的最重要的信号波形；
图9示意地说明了一个测量设备，该设备具有几个传感器或力测量单元，并具有装备有多路复用器和超时装置的信号处理部件，该超时装置表现为触发信号开关和超时控制器的结合，其中该超时控制器导致触发信号的释放或阻塞；
图10说明了在图9中出现的最重要的信号波形；以及
图11示出根据现有技术状态的放大器电路的不同信号波形，以说明在不同部件之间的特性方面的散布并示出温度的影响。
具体实施方式
图1给出了具有传感器10的测量设备50的图示，传感器10是以惠斯通电桥电路的形式来表示的。真实的传感器元件需要是在其电阻总量方面可变，以便电阻值在理想的情况下呈现出与要测量的参数线性相关，或者至少根据已知的系统关系跟随要测量的参数。正如已知的那样，全桥电路中的四个图示的电阻器R1、R2、R3、R4中的至少一个或者半桥电路中的两个电阻器R1、R2中的至少一个是可变的。力测量单元的应变计代表了一个针对这种类型的电路布置的实例。将工作电压U0施加于该惠斯通电桥电路的节点K1和K2。两个节点K3和K4连接在信号处理部件20上，信号处理部件20包含这样连接的不同的处理级MO、DOP、DMO、SW、SH、AD、AE，这些处理级以刚才命名的连续顺序彼此跟随。信号处理部件的第一处理级是具有至少两个开关触点SK1、SK2的调制器MO，其中开关触点SK1连接在节点K3上，开关触点SK2连接在节点K4上。根据开关触点SK1、SK2的开关位置，节点K3和K4总是彼此电气分离的，并且交替地连接在差分放大器DOP的第一放大器OP1的放大器信号输入端子上或第二放大器OP2的放大器信号输入端子上。在电路链中差分放大器DOP的后面是解调器DMO，解调器DMO的设计是与调制器MO的设计一致的。因此，解调器DMO同样具有至少两个输入端子、至少两个输出端子以及至少两个开关触点SK3、SK4，开关触点SK3连接在放大器OP1的放大器输出端子上，开关触点SK4连接在放大器OP2的放大器输出端子上。四个开关触点SK1、SK2、SK3、SK4是借助于转换控制器来同步激励的。在电路链中解调器DMO的后面是开关SW，该开关SW具有至少与解调器DMO相同的数目的开关触点SK5、SK6。这两个开关触点SK5、SK6中的每一个都连接在解调器DMO的一个输出端子上，将这些输出端子连接在后续的处理级SH、AD、AE上，或将它们切换到高阻抗。因此，解调器DMO的输出端子连接在后续的处理级SH、AD、AE上或与它们分离。开关触点SK5、SK6是通过超时控制器AS来激励的。优选的是，超时控制器AS通过信号连接SL连接到转换控制器US，以便转换控制器US的转换信号SSW同时被用来触发超时信号AS。所述触发将开关触点SK5、SK6设置在高阻抗上。可以规定超时相位持续时间并将其存储在内存中作为定量。然而，超时控制器AS也可以包括诸如处理器和内存此类的装置，所述装置允许在初始化期间计算超时相位的持续时间，因此该持续时间在工作相位期间保持在固定的设置上。在超时相位的末端，开关触点SK5、SK6被复位，以便解调器DMO的输出端子再次连接在后续的处理级SH、AD、AE上。当然，也可以借助于定时元件以硬件的形式来规定超时相位持续时间。因此超时周期跟随调制器MO和解调器DMO的转换周期。后续的处理级SH、AD、AE仅仅用于进一步处理信号，由每一信号通道的一个R/C低通元件组成的取样与保持处理级SH用于桥接超时相位。通常借助于模/数变换器电路AD将模拟信号变换成数字信号，并将其送到处理器用于进一步处理操作或将其送到指示器部件AE。在当前的实例中，将两个A/D变换器AD1、AD2中的每一个分别分配给每一个信号通道。在图1中指示的所有信号都将在图4的环境中详细加以说明。
在图2中示意地说明了具有传感器10和信号处理部件20的测量设备50。所有元件都与图1对应，超时控制器AS是用更多具体细节来显示的。超时控制器AS包括信号发生器SG和异或元件EXOR。将信号发生器信号SSG和转换信号SSW送往异或元件EXOR的信号输入端子。输入值SSG、SSW一但不再是相等的，超时信号SA就激励开关触点SK5、SK6。这就是在由信号发生器信号SSG相对于转换信号SSW的相位偏移设置相位持续时间的情况下，超时相位t1至t2、t3至t4、t5至t...是如何生成的。在图2中指示的所有信号下面都将在图4的环境中详细加以解释。
图3示意性地说明了具有传感器110并具有信号处理部件120的测量设备150。除缺少图1中的解调器DMO和开关SW之外，其它所有元件都与图1对应。至于该电路中各个处理级的布置，与图1唯一的不同在于传感器150现在布置在调制器MO和差分放大器DOP之间，以便受益于上述用AC电压操作的测量桥接电路的优点。与图1的电路相比，图3中所示电路的唯一显著差别是在图1的环境中描述的处理级解调器DMO和开关SW现在已经相互组合了。集成在解调开关DMSW中的是高阻抗的开关级SP3，开关级SP3布置在解调开关DMSW的信号输出端上的每一个开关触点SK7、SK8的两个开关位置SP1和SP2之间。代替使用开关级SP3的是，如果开关触点SK7、SK8在开关位置SP1和SP2之间保持在高阻抗状态我们就可以达到相同的目的。转换控制器US以及超时控制器AS作用于开关触点SK7、SK8，以便例如通过将控制器元件AS和US的控制信号彼此叠加来产生超时相位。
图4示出了在图1、2和3中出现的最重要的信号波形。第一个图显示了转换控制信号SSW的可能的时间波形。第二个图描述了在第一放大器OP1的输出端上的第一输出信号SO1。也正如图11中所示并在下面相关描述部分中详细解释的那样，可以清楚地看到，上升时间和带宽是受限的，并且这对输出信号有影响。同样可以清楚地看到，从一个周期到下一个周期的转换速率α1、α2可以改变。
第三个图说明了第二放大器OP2的第二输出信号SO2。在该情况下，受限的上升时间和带宽的影响也是清楚明显的。第四个图示出了可能的超时信号SA，超时信号SA在这里显示为具有低有效开关电平。第五个图采用这样的形式示出第一被调制输出信号SO1C：如果开关触点SK5、SK6同样是通过第一个图中显示的转换信号SSW来激励的，则第一输出信号SO1C出现在解调器之后。在超时相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期间，在第一被调制输出信号SO1C中暂时跌落是清楚明显的。虚线表示输出信号SO1CF，输出信号SO1CF在已经被调制并借助于取样与保持处理级SH的RC低通滤波器加以滤波之后，出现在第一A/D变换器AD1的输入端上。单独的取样相位SM和保持相位HO同样在该图中显示，并且清楚地论证了取样和保持的相位是如何根据超时信号SA来交替的。第六个图近似地说明了在解调器之后的相应的第二被调制输出信号SO2C以及在第二A/D变换器AD2的输入端上的相关的被调制和滤波的输出信号SO2CF。
就处理级和它们在电路中从传感器210到解调器DMO的信号输出端子的布置而言，在图5中示意性地说明的具有传感器210和信号处理部件220的测量设备250又具有与图1中所示的实施例相似的设计。在这里，差分放大器DOP也是以两个放大器OP1和OP2的方式来使用的。代替两个处理级开关SW和取样与保持电路SH的是，将解调器DMO的每一个信号输出端子直接连接在各自的A/D变换器AD1、AD2的信号输入端子上。如果使用某些种类的A/D变换器，取样与保持处理级SH可以省略。为了产生超时相位，超时控制器AS激励触发信号开关TSW，触发信号开关TSW中断触发信号发生器TR和A/D变换器AD1、AD2之间的触发信号连接221，中断时间为超时相位的持续时间。正如已知的那样，A/D变换器只有在其接收到触发信号的时候才执行其功能。因而，通过中断触发信号连接221，A/D变换被阻塞。后续的处理级属于与图1中的相同的类型，即用于进一步处理操作的处理器或指示器部件AE。图5中指示的所有信号都将在接着的图6的描述中加以详细解释。
图6说明了图5中出现的最重要的信号波形。第一个图显示了转换控制信号SSW的可能的时间波形。第二个图描述了在第一放大器OP1的输出端上的第一输出信号SO1。以相似的表示法，第三个图说明了第二放大器OP2的第二输出信号SO2。第四个图显示了可能的超时信号SA，超时信号SA在这里显示为具有低有效开关电平。第五图表示这样的形式的第一被解调输出信号：如果开关触点SK5、SK6同样是通过在第一个图中显示的转换信号SSW来激励的，则第一输出信号SO1C出现在解调器DMO之后。在超时相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期间在第一被解调输出信号SO1C中暂时跌落是清楚明显的。第七图说明了用于A/D变换器AD1、AD2的可能的触发信号STR。清楚明白的是，激励触发信号开关TSW的超时信号SA在超时相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期间抑制A/D变换器的触发。
在图7中说明的测量设备350具有与图5的实施例基本相同的元件。它们在电路中的布置同样与图5相似，已经在上面描述了。如图7所示的那样，超时与触发信号STRA也可以在组合部件TRAS中产生，该组合部件包括触发信号发生器和超时控制器。由于这种布置，图5的触发信号开关TSW被删去了。这种的组合控制器可以借助于硬件和/或软件来实现。例如，超时信号SA可以直接作用于触发信号STR的生成，即导致它们的抑制。由于组合触发信号STRA，A/D变换器AD1、AD2的A/D变换在相位t2至t3、t4至t5、……期间有效并在超时相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期间被阻塞。正如图8中所示，在每一个调制器相位期间，对于A/D变换器只有单个组合触发信号STRA生成。然而，该变换的开始可以以下方式来由超时控制器加以控制：在A/D变换器的输入端子上的信号是没有误差的。如果转换控制器US集成在组合控制器TRAS中的话，控制器元件的更进一步的集成同样也是可能。
图8中所示的信号波形SSW、SO1、SO2、SO1C、SO2C以及SA精确地对应于图6中由相同符号所标识的信号波形。第七个图示出了A/D变换器的可能的组合触发信号STRA。在该图中显而易见的是：在超时相位t1至t2、t3至t4、t5至t...结束之后，即在放大器输出信号中的错误部分之后，超时信号SA是怎样触发A/D变换器的启动的。变换时间段tAD1、tAD2、tAD3、……是由虚线表示的。在这些时间间隔期间，要变换的信号SO1C、SO2C必须没有被放大器的瞬态振荡所破坏。
图9示意性地说明了具有多个传感器或力测量单元410、411、412、413、414并具有配备多路复用器MX的信号处理部件420的测量设备450。采用这种一般可应用于测量设备450以及其信号处理部件420的进一步布置，由在跟随放大器输入信号S中开关跳跃时模拟放大器OP物理上受限的能力所导致的模拟放大器OP的传递误差，也是通过根据该发明的方法来避免的。例如如果几个传感器410、411、412、413、414的传感器信号是通过多路复用器MX依次传送到放大器OP的，在放大器输出信号SO中就会出现这种类型的传递误差。在该情况下，在开关触点SK的每一个开关事件之后，放大器的输出必须稳定在新的值上。与上述方法相似，后续的处理级可以在受影响的信号部分E1、E2、E3期间分离，正如在图1、2和3中所示的那样。当然，也可以在超时相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期间借助于组合触发信号超时开关TRAS，通过阻塞后续的处理级，来抑制更进一步的处理，在该情况下是模/数变换器AD，如图5或图6中所示。通过信号连接SL，组合触发信号超时开关TRAS与多路复用器MX的转换控制器US协作，由此使得组合触发信号STRA的超时相位与转换信号SWX同步。
图10示出了在图9中出现的最重要的信号波形，即SWX、SO、SA以及STRA。第一个图说明了多路复用器转换控制信号SSWX的可能的时间波形，该信号的值是以十六进制代码来表示的。
第二个图表示了放大器的可能的输出信号SO。这个图同样地清楚显示了放大器OP的上升时间和带宽是如何受限制的以及该情况对放大器输出信号SO的影响。由于放大器输出信号SO由不同测量单元的输出信号组成，不同信号周期的各自的振幅也彼此不同。第三个图显示了可能的超时信号SA，组合触发信号超时控制器不是正将该超时信号SA发送到外部，而是其用于生成组合触发信号STRA的内部处理。
第四个图显示了用于A/D变换器的组合触发信号STRA。在该图中显而易见的是：在受影响的放大器输出信号SO的损坏信号部分E1、E2、E3结束之后超时信号AS是如何触发A/D变换器的启动的。变换时间间隔tAD1、tAD2、tAD3、……是由虚线表示的。在这些时间间隔期间，要变换的信号必须没有被放大器的瞬态振荡所破坏。
图11显示根据本领域现有技术状态的放大器电路的不同信号波形，所述信号波形用于说明具有相同构造的放大器中部件之间的散布和温度的影响。由于在时刻t1放大器输入信号SOPin的跳跃以及在时刻t2上更进一步的跳跃，理论上的放大器输出信号SOPoutT同样以跳跃的方式跟随放大器输入信号SOPin而没有时间延迟。然而，实际上，因为该放大器的能力的物理限制，其显示出完全不同的表现。该放大器具有一定的上升时间τ，其可以根据转换速率α来计算。然而，叠加在该响应信号的理论上升上的是放大器的瞬态响应表现，该瞬态响应表现显著地受反馈电阻器和反馈电容器的影响，并且近似地符合指数函数。这导致例如在20℃的工作温度上与输出信号波形SOPout1一致的放大器输出信号。如果这个信号随后由低通滤波器来进行平滑，则通常所得到的信号具有类似信号图SOPoutF的形状。如果测量是在相同的温度下，在第二个同样构造的放大器上进行的，那么第二个放大器就可能具有偏离于第一放大器的输出信号，例如类似图11中的输出信号图SOPout2所示。采用同一元件的实验也已得到如下结论：在不同的工作温度上，瞬态表现变化巨大。因而，在60℃的工作温度上第一放大器的输出信号可以例如与输出信号图SOPout3一致。显然，这三个图的经过滤波的放大器输出信号也将具有不同的振幅。
不证自明的是，根据该发明的方法不仅适用于具有应变计力测量变换器的测量设备，而且它还可以用在依照电磁力补偿原理工作的测量设备。此外，诸如湿度传感器、温度传感器、场效应晶体管传感器等等此类的传感器的任何输出信号都可以用模拟放大器来放大，并且以根据该发明的方法，放大器输出信号可以没有由于在跟随由开关动作引起的放大器输入信号中的跳跃时模拟放大器物理上受限的能力所造成的模拟放大器的传递误差。
Claims (20)
1、一种用于校正模拟放大器(OP、DOP)的传递误差的方法，所述传递误差起因于在跟随由开关导致的所述放大器的输入信号(S1、S2)中的跳跃时所述放大器物理上受限的能力，其中，信号处理部件(20)包括至少一个调制器(MO)和/或多路复用器(MX)、模拟放大器(OP、DOP)以及在所述电路链中跟随所述模拟放大器(OP、DOP)之后的至少一个处理级(AD、AE)，其特征在于：
a)根据所述开关跳跃出现时的时间点，在所述模拟放大器(OP、DOP)之后的所述处理级(AD、AE)在预定的超时相位持续时间(t1至t2、t3至……)期间与所述模拟放大器(OP、DOP)分离，和/或
b)根据所述开关跳跃出现时的时间点，在所述模拟放大器(OP、DOP)之后的所述处理级(AD、AE)在预定的超时相位持续时间(t1至t2、t3至……)期间被阻塞。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定超时相位持续时间对应于，上升时间(τ)与2和10之间的一个系数的乘积或者所述模拟放大器(OP、DOP)的时间常数与2和10之间的一个系数的乘积。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述模拟放大器(OP、DOP)之后的处理级(AD、AE)是借助于开关(SW)而与所述模拟放大器(OP、DOP)分离的，其中，所述开关(SW)布置在所述模拟放大器(OP、DOP)和所述处理级(AD、AE)之间并且是通过超时控制器(AS)来激励的。
4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述信号处理部件(120)包括在所述电路链中跟随所述模拟放大器(OP、DOP)之后的解调开关(DMSW)，其中，所述调制器(MO)的转换控制器(US)作用于所述解调开关(DMSW)，以用于对调制信号进行同步解调，并且其中，超时控制器(AS)在所述超时相位持续时间(t1至t2、t3至……)期间借助于超时信号(SA)将所述解调开关(DMSW)保持在高阻抗开关电平(SP3)或高阻抗状态。
5、如权利要求1至4中任意一个所述的方法，其特征在于，跟随所述模拟放大器的所述处理级是模/数变换器电路(AD)，其中，为了生成超时相位，超时控制器(AS)激励触发信号开关(TSW)，并且所述触发信号开关(TSW)在所述超时相位持续时间(t1至t2、t3至……)期间中断所述A/D变换所需的触发信号(STR)。
6、如权利要求1至4中任意一个所述的方法，其特征在于，跟随所述模拟放大器的所述处理级是模/数变换器电路(AD)，并且为了生成超时相位，所述超时控制器(AS)与生成所述A/D变换所需的信号的触发信号发生器(TR)一起形成组合的触发信号发生器/超时控制器部件(TRAS)，其中，由所述超时控制器(AS)生成的超时信号(SA)在所述超时相位持续时间(t1至t2、t3至……)期间叠加在所述触发信号(STR)上，或者所述触发信号(STR)的生成被抑制。
7、如权利要求1至6中任意一个所述的方法，其特征在于，所述调制器(MO)和/或所述多路复用器(MX)配备有转换控制器(US)，并且所述超时控制器(AS)的超时信号(SA)可以根据所述转换控制器(US)的转换信号(SSW)来生成。
8、如权利要求1至7中任意一个所述的方法，其特征在于，至少一个传感器(10、110、……)的输出信号被传送给所述放大器(OP、DOP)作为放大器输入信号(S1、S2)。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，借助于所述调制器(MO)，将所述放大器输入信号(S1、S2)或所述传感器的输入电压优选地调制为交替的方波电压信号。
10、如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将至少两个传感器(410、411、……)的输出信号借助于所述多路复用器(MX)顺序地传送给所述至少一个模拟放大器(OP)。
11、放大器模块或集成的放大器模块，用于执行如权利要求1至10中任意一个所述的方法，其特征在于，所述放大器模块包括至少一个调制器(MO)和/或具有至少一个转换控制器(US)的多路复用器(MX)、在所述电路链中跟随在所述调制器(MO)和/或该多路复用器(MX)之后的至少一个模拟放大器(OP)、以及在所述电路链中跟随在所述模拟放大器(OP)之后的至少一个处理级，其中，所述处理级包括至少一个超时装置，所述超时装置用于在所述放大器输出信号中产生具有预定超时相位持续时间(t1至t2、t3至……)的超时相位。
12、测量设备(50、150、……)，用于执行如权利要求1至10中任意一个所述的方法，其具有至少一个信号处理部件(20)并具有至少一个传感器(10)，其中，所述信号处理部件(20)包括调制器(MO)和/或具有转换控制器(US)的多路复用器(MX)，其中，至少一个模拟放大器(OP1、OP2)在所述电路链中跟随在所述调制器(MO)和/或该多路复用器(MX)之后，并且其中，至少一个处理级(AD、AE)在所述电路链中跟随在所述模拟放大器(OP1、OP2)之后，其特征在于，所述至少一个信号处理部件(20)包括至少一个超时装置，所述超时装置用于在所述放大器输出信号(SO1CF、SO2CF)中产生具有预定超时相位持续时间(t1至t2、t3至……)的超时相位。
13、如权利要求12所述的测量设备，其特征在于，所述调制器(MO)直接布置在所述模拟放大器(DOP)的前面，并且所述调制器(MO)用于对所述放大器输入信号(S1、S2)进行调制。
14、如权利要求12所述的测量设备(150)，其特征在于，所述调制器(MO)布置在所述至少一个传感器(110)的前面，并且所述调制器(MO)用于对所述传感器(10)和/或所述力测量单元(10)的电源电压(U0)进行调制，并因而用于对所述放大器输入信号(S1、S2)进行调制。
15、如权利要求12至14中任意一个所述测量设备(50)，其特征在于，所述超时装置包括分配给所述信号处理部件(20)的开关(SW)以及连接在所述开关(SW)上的超时控制器(AS)，并且所述转换控制器(US)的转换信号(SA)能够激励所述超时控制器(AS)。
16、如权利要求15所述的测量设备(50)，其特征在于，所述超时控制器(AS)包括信号发生器(SG)和异或元件(EXOR)，以及通过将所述信号发生器信号(SSG)与所述转换信号(SSW)组合，所述异或元件(EXOR)用于产生所述超时信号(SA)。
17、如权利要求12至14中任意一个所述的测量设备(150)，其特征在于，所述测量设备(150)包括解调开关(DMSW)，所述解调开关(DMSW)被布置为在所述电路链中跟随所述模拟放大器(DOP)之后，并且其特征还在于，所述解调开关(DMSW)连接在所述调制器(MO)的转换控制器(US)上，所述超时装置包括连接在所述解调开关(DMSW)上的超时控制器(AS)，以及集成到所述解调开关(DMSW)中的高阻抗开关级(SP3)或可以保持在高阻抗状态的具有开关触点(SK7、SK8)的解调开关(DMSW)，其中，所述转换控制器(US)的转换信号(SSW)具有适合于激励所述高阻抗开关级(SP3)的超时控制器(AS)的特性，并且由所述超时控制器(AS)生成的超时信号(SA)可以叠加在所述转换信号(SSW)上，或者所述超时信号(SA)可以与所述转换信号(SSW)组合。
18、如权利要求12至14中任意一个所述的测量设备(250)，其特征在于，在所述电路链中跟随所述模拟放大器之后的所述处理级是模/数变换器电路(AD)，所述超时装置包括触发信号开关(TSW)和连接在所述触发信号开关(TSW)上的超时控制器(AS)，其中，所述触发信号开关(TSW)中断所述A/D变换所需的触发信号(STR)，并且其特征还在于，所述转换控制器(US)的转换信号(SSW)具有适合于激励所述超时控制器(AS)的特性。
19、如权利要求12至14中任意一个所述的测量设备(350)，其特征在于，在所述电路链中跟随所述模拟放大器之后的处理级是模/数变换器电路(AD)，并且所述超时装置包括组合在一起的触发信号发生器和超时控制器(TRAS)，所述超时控制器(TRAS)用于生成所述A/D变换所需的触发信号(STRA)，其中，所述转换控制器(US)的转换信号(SSW)具有适合于激励所述超时控制器(AS)的特性，并且所述超时控制器(AS)用于释放或阻塞所述触发信号(STRA)。
20、如权利要求12至19中任意一个所述的测量设备(350)，其特征在于，所述至少一个传感器是湿度传感器、温度传感器、压力传感器、具有应变计的力测量单元、或依照电磁力补偿原理的力测量单元。
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Application publication date: 20070627 Assignee: Mettler-Toledo Instrument (Shanghai) Co., Ltd. Assignor: Mettler Toledo AG Contract record no.: 2010990000172 Denomination of invention: Method for correcting an analogue amplifier output signal, amplifier module and measurement device License type: Exclusive License Record date: 20100406 |
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