DD253090A1

DD253090A1 - CIRCUIT FOR THE DIGITAL LINEARIZATION OF TRANSMISSION CHARACTERISTICS OF ELECTRICAL AND NON-ELECTRICAL SENSORS IN CONNECTION WITH INTEGRATED ANALOG DIGITAL TRANSDUCERS

Info

Publication number: DD253090A1
Application number: DD29483486A
Authority: DD
Inventors: Waldemar Popp; Michael Meder
Original assignee: Elektro Industrieofenbau Veb
Priority date: 1986-10-01
Filing date: 1986-10-01
Publication date: 1988-01-06

Abstract

Die erfindungsgemaesse Loesung soll es ermoeglichen, mit digitalen Mitteln ohne zusaetzliche Vergroesserung des Messfehlers eine Linearisierung von Kennlinien von Messwandlern vorzunehmen, ohne dass zusaetzliche Anforderungen an die Aufloesung eines Analog-Digital-Umsetzers zu stellen sind. Dazu wird ein integrierender Digital-Analog-Umsetzer eingesetzt und in der Auswertephase der zeitliche Abstand der Abfrage des Nulldurchganges des Komparators so gesteuert, dass sich ein linearer Zusammenhang des Zaehlerergebnisses zur Messgroesse unter Einsatz eines programmierbaren Teilers und einer in einem Speicher abgelegten Tabelle ergibt. Da dieses Verfahren digital ist, ist eine Integration bzw. Ausfuehrung mit Hilfe eines Mikrorechners unter Verwendung von bekannten Loesungen von integrierenden Analog-Digital-Wandlern oekonomisch moeglich.The solution according to the invention is intended to make it possible to linearize the characteristics of transducers with digital means without an additional magnification of the measurement error, without having to set any additional requirements for the resolution of an analog-to-digital converter. For this purpose, an integrating digital-to-analog converter is used and controlled in the evaluation of the time interval of the query of the zero crossing of the comparator that results in a linear relationship of the numerator result to the measured using a programmable divider and a table stored in a memory. Since this method is digital, microcontroller implementation using the known solutions of integrating analog-to-digital converters is economically possible.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalen Linearisierung von Wandlerkennlinien, ζ. Β. von Thermoelementen.The invention relates to a circuit arrangement for the digital linearization of transducer characteristics, ζ. Β. of thermocouples.

Characteristic of the known technical solutions

Zur Messung von elektrischen und nichtelektrischen Größen unter Einbeziehung eines Wandlers ist es erforderlich, den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der zu messenden Größe und auszuwertenden Größe zu eliminieren. Im einfachsten Falle erfolgt das durch Aufbringen einer nichtlinearen Skala bei analog-anzeigenden Instrumenten. Diesem Verfahren entspricht die digitale Zuordnung der Ausgangsinformation eines A/D-Wandlers, der den Ausgangswert eines Meßwandlers digitalisiert, mit Hilfe eines Festwertspeichers (DD-PS 215631). Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die Auflösung des A/D-Wandlers in Abhängigkeit von der Nichtlinearität des Meßwandlers vergrößert werden muß, um eine kontinuierliche Anzeige zu erhalten. Des weiteren sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen durch eine nichtlineare Beschaltung des Meßverstärkers die Linearisierung der Übertragungskennlinie des Meßwandlers vorgenommen wird (DD-PS 143955).To measure electrical and non-electrical quantities involving a transducer, it is necessary to eliminate the nonlinear relationship between the size to be measured and the quantity to be evaluated. In the simplest case, this is done by applying a non-linear scale in analog-indicating instruments. This method corresponds to the digital assignment of the output information of an A / D converter, which digitizes the output value of a transducer, using a read-only memory (DD-PS 215631). The disadvantage of this method is that the resolution of the A / D converter must be increased in dependence on the nonlinearity of the transducer in order to obtain a continuous display. Furthermore, circuit arrangements are known in which the linearization of the transfer characteristic of the measuring transducer is carried out by a non-linear connection of the measuring amplifier (DD-PS 143955).

In anderen Schaltungsanordnungen wird der verstärkte Meßwert einem Linearisierungsnetzwerk zugeführt, das so abgeglichen ist, daß eine linear folgende Spannung abgegriffen werden kann (DD-PS 151359). Die erreichbare Genauigkeit ist auf Grund der analogen Beschaltung begrenzt bzw. ist in Abhängigkeit der Nichtlinearität ein hoher Aufwand erforderlich. Weiterhin sind Schaltungsanordnungen bekannt, die das Prinzip eines Ladungsbalanceverfahrens der Analog-Digital-Wandlung benutzen und zur Kompensation der Nichtlinearität in Abhängigkeit von der zu messenden Größe mit Hilfe von Komparatoren die Balancierung durch eine umschaltbare Mehrfachstromquelle vornehmen (DD-PS 158427). Die Linearisierung erfolgt somit durch lineare Teilstücke. Die Genauigkeit der Approximation ist abhängig von der Anzahl der enthaltenen Komparatoren und Stromquellen und somit sehr bauelementeaufwendig. Es sind des weiteren Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen durch Nachbildung der Linearisierungsvorschrift mit AnalogrechenschaltUngen (DD-PS 138820) die Linearisierung des Ausgangssignals nichtlinearer Fühler realisiert wird. Auch diese Anordnung sind sehr bauelementeaufwendig. Bekannt sind weiterhin Schaltungsanordnungen, die vom verstärkten Eingangssignal mit Mitteln der digitalen Signalverarbeitung ein analoges Korrektursignal gewinnen und dieses dem verstärkten Meßwert aufschalten (DE-PS 3030990).In other circuit arrangements, the amplified measured value is supplied to a linearization network, which is adjusted so that a linearly following voltage can be tapped (DD-PS 151359). The achievable accuracy is limited due to the analog circuit or is dependent on the non-linearity a lot of effort required. Furthermore, circuit arrangements are known which use the principle of a charge balance method of the analog-to-digital conversion and to compensate for the non-linearity depending on the size to be measured with the help of comparators balancing by a switchable multiple power source make (DD-PS 158427). The linearization is thus carried out by linear sections. The accuracy of the approximation is dependent on the number of included comparators and current sources and thus very complex in terms of components. Furthermore, circuit arrangements are known in which the linearization of the output signal of nonlinear sensors is realized by simulating the linearization specification with analogue calculation circuits (DD-PS 138820). Also, this arrangement are very complex components. Circuit arrangements are also known which obtain an analog correction signal from the amplified input signal by means of digital signal processing and apply this to the amplified measured value (DE-PS 3030990).

Darüberhinaus sind Schaltungsanordnungen bekannt, die das Meßwertgebersignal quadrieren, mit einem Faktor bewerten und je nach Krümmung der Geberkennlinie diesen Wert im Sinne einer Linearisierungswirkung zum Meßwertsignal addieren bzw. subtrahieren (DE-PS 2710857). Auch diese Verfahren bzw. Schaltungsanordnungen sind durch hohen Aufwand gekennzeichnet.In addition, circuit arrangements are known which square the transmitter signal, evaluate it with a factor and, depending on the curvature of the encoder characteristic, add or subtract this value in the sense of a linearization effect to the measured value signal (DE-PS 2710857). These methods or circuit arrangements are characterized by high costs.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die erfindungsgemäße Lösung soll es ermöglichen, nichtlineare Übertragungskennlinien von Meßwandlern zu kompensieren und somit einen linearen Zusammenhang der zu messenden Größe zur Ausgangsinformation herzustellen. Dabei sind die die Genauigkeit begrenzenden Faktoren bzw. bauelementeaufwendigen Schaltungsteile wie Komparatoren mit Offseteinfluß und Referenzeinfluß sowie abzugleichende Schaltungsteile wie Mehrfachstromquellen auf ein Minimum zu reduzieren.The solution according to the invention should make it possible to compensate for non-linear transfer characteristics of transducers and thus to produce a linear relationship between the quantity to be measured and the output information. In this case, the factors limiting the accuracy or circuit-consuming circuit components such as comparators with offset influence and reference influence as well as circuit components to be adjusted such as multiple current sources are to be reduced to a minimum.

Explanation of the essence of the invention

Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein integrierender Analog-Digital-Wandler eingesetzt wird und in der Auswertungsphase der nichtlineare Zusammenhang zwischen zu messender Größe und dersich ergebenden elektrischen Größe durch zeitliche Kompensation eliminiert wird. Die Kompensation mit Hilfe der Größe Zeit läßt sich durch digitale Verfahren ohne großen Aufwand oder Einschränkung der Genauigkeit durchführenThe inventive solution is characterized in that an integrating analog-to-digital converter is used and in the evaluation phase, the non-linear relationship between the quantity to be measured and the resulting electrical quantity is eliminated by time compensation. Time-based compensation can be performed by digital methods without much effort or limitation of accuracy

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In one embodiment, the invention is explained in detail.

embodiment

Ein Meßwandler 1 erzeugt eine elektrische Größe, z. B. Spannung, die einer zu messenden Größe, z. B. Temperatur, proportional ist, wobei der Zusammenhang nichtlinear ist. Ein integrierender Analog-Digital-Umsetzer 2 wird durch eine Steuerlogik 6 in der Umsetzungsphase wie bei konventionellen Verfahren mit linearer Umsetzung gesteuert, z. B. bei Dual-Slope-Verfahren. Im Gegensatz zu den üblichen Verfahren wird die Taktfrequenz eines Taktgenerators 3 durch einen Teiler 4 in der Auswertungsphase mit Hilfe eines ROMs 7, das durch einen Zähler 5 adressiert wird, so gesteuert, daß ein linearer Zusammenhang der zu messenden Größe und der der Auswertung 9, z.B. Anzeige, über den Speicher 8 gelieferten Größe entsteht. In einem Dual-Slope-Verfahren z. B. ist in der Auswertungsphase die Abintegrationszeit linear proportional zur Eingangsspannung. Der Teiler 4 wird durch das ROM 7 bezüglich des Teilverhältnisses so programmiert, daß dem Zähler 5 immer dann ein Impuls zugeführt wird, wenn die notwendige Zeit entsprechend des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen zu messender Größe und Erhöhung des auszuwertenden Zählerstandes vergangen ist. Das bedeutet eine stückweise Linearisierung. Die notwendigen Größen des Teilers und des ROMs ergeben sich aus den Genauigkeitsanforderungen und der vorhandenen Nichtlinearität. Wenn das ROM 7 einen Adreßbereich hat, der den vollen auszuwertenden Bereich des Zählers umfaßt, ist der resultierende Fehler infolge der stückweisen Linearisierung vernachlässigbar. Die Größe des steuerbaren Teilers bestimmt dann den Bereich der möglichen stückweisen Linearisierung.A transducer 1 generates an electrical variable, for. B. voltage corresponding to a size to be measured, z. Temperature, is proportional, the relationship being nonlinear. An integrating analog-to-digital converter 2 is controlled by a control logic 6 in the conversion phase as in conventional linear conversion methods, e.g. B. in dual-slope method. In contrast to the usual methods, the clock frequency of a clock generator 3 is controlled by a divider 4 in the evaluation phase by means of a ROM 7, which is addressed by a counter 5, so that a linear relationship of the measured variable and the evaluation 9, eg Display, over the memory 8 supplied size arises. In a dual-slope method z. B. is in the evaluation phase, the Abintegrationszeit linearly proportional to the input voltage. The divider 4 is programmed by the ROM 7 with respect to the division ratio that the counter 5 is always supplied with a pulse when the necessary time has passed in accordance with the non-linear relationship between the size to be measured and increasing the count to be evaluated. This means a piecewise linearization. The necessary sizes of the divider and the ROM result from the accuracy requirements and the existing nonlinearity. When the ROM 7 has an address area comprising the full range of the counter to be evaluated, the resulting error due to the piecewise linearization is negligible. The size of the controllable divider then determines the range of possible piecewise linearization.

Die Berechnung des ROMs erfolgt über die Zeit zur Änderung des Zählerstandes. Ein Taktgenerator 3 habe z. B. eine Frequenz von 1 MHz entsprechend 1/us Periodendauer. Der programmierbare Teiler 3 besitze 8 bit, der Zähler einen Zählumfang von 1000. Die Aufintegration im Dual-Slope-Verfahren wird z.B. auf 100 ms dadurch festgelegt, daß der Teiler 4 durch das ROM 7 auf ein Teilverhältnis von 100 festgelegt wird durch die Steuerlogik 6 und der Übertrag des Zählers die Steuerlogik von der Aufintegration in die Abintegration (Auswertungsphase) steuert. Entsprechend der Nichtlinearität wird die Zeit in /us zur Erhöhung des Zählerstandes ermittelt und damit der Ausgangswert des ROMs 7 bzw. der Teilfaktor des Teilers 4 bestimmt.The calculation of the ROM takes place over the time to change the counter reading. A clock generator 3 have z. B. a frequency of 1 MHz corresponding to 1 / us period. The programmable divider 3 has 8 bits, the counter a count of 1000. The integration in the dual-slope method is e.g. set to 100 ms by dividing the divider 4 by the ROM 7 to a dividing ratio of 100 by the control logic 6, and the carry of the counter controls the control logic from the integration into the down-integration (evaluation phase). In accordance with the nonlinearity, the time in / us is used to increase the count and thus the output value of the ROM 7 or the partial factor of the divider 4 is determined.

Claims

1. Circuit arrangement for the digital linearization of transducers of electrical and non-electrical variables in conjunction with integrating analog-to-digital converters, characterized in that the linearization is carried out by determining the time between the count clocks in the evaluation phase corresponding to the transmission steepness of the transducer.

2. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that the time is determined by means of a programmable divider and a memory in which the values for the division ratio are stored and which is informed by the address of the area on the transfer characteristic of the converter.

3. Circuit arrangement according to item 1 and 2, characterized in that in addition a time of Abintegration or integration is set to compensate for an offset using the control logic.

4. Circuit arrangement according to item 1, 2 and 3, characterized in that in addition in the Abintegrationsphase a preset value with a preset counter is decremented by the output pulses of the divider whose zero crossing with the output signal of the ADC (comparator) is compared in time and so a pulse width modulated Signal is obtained in an evaluation logic 11 for the deviation setpoint actual value for control purposes.