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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auflösungserhöhung eines A/D-Wandlers, der eine
analoge Messspannung in digitale Messwerte konvertiert. Ferner bezieht
sich die Erfindung auf eine Schaltung, in der dieses Verfahren umgesetzt
wird.
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Zur
besseren Verständlichmachung
der Erfindung wird die ihr zugrunde liegende Problematik im Folgenden
kurz umrissen. So lassen sich verschiedenste physikalische, chemische
und sonstige Größen messen,
indem sie in einem ersten Schritt mittels eines geeigneten Sensors,
wie beispielsweise einem Thermoelement zur Temperaturmessung oder einem
physikalisch-chemischen Messsensor zur Bestimmung des pH-Wertes
einer Prozessflüssigkeit,
in eine oder mehrere unabhängige
Spannungen umgewandelt und in einem zweiten Schritt mittels elektronischer
Standardkomponenten, wie einem Mikrocontroller mit integriertem
A/D-Wandler, digitalisiert werden. Die weitere Signalverarbeitung
erfolgt dann mittels digitaler Elektronikkomponenten und entsprechender
Software.
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Bei
der Digitalisierung erfolgt die Umwandlung einer zu messenden Spannung
Umess in einen numerischen Wert. Dieser
Wert hat einen endlichen Wertebereich, z. B. 214.
Der Abstand zweier benachbarter Werte stellt die sogenannte Auflösungsstufe dar.
Eine geringe Auflösung
bedeutet, dass die Auflösungsstufen
groß sind.
Der Digitalisierungsvorgang, also die A/D-Wandlung, erfolgt zeitlich diskontinuierlich
mit einer bestimmten Abtastfrequenz. Die verfügbaren Standardkomponenten
sind an die Masse der auftretenden Wandlungsaufgaben angepasst,
bei denen schnell veränderli che
Signale mit hoher Abtastfrequenz, aber eher geringer Auflösung zu
erfassen sind.
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Beim
Einsatz in hochwertigen Messgeräten haben
die Standardkomponenten einerseits oft eine zu geringe Auflösung, andererseits
wird die zur Verfügung
stehende hohe Abtastrate gar nicht benötigt. Dies ist z. B. bei der
oben bereits angesprochenen Messung des pH-Wertes oder der Temperatur
in Flüssigkeiten
der Fall.
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In
einer elektronischen Schaltung nach dem Stand der Technik wird die
Auflösung
erhöht,
indem der zu messenden Spannung Umess ein
periodisches Wechselsignal oder ein Rauschen überlagert wird und gleichzeitig
eine zeitliche Mittelung der digitalisierten Werte erfolgt.
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Eine
entsprechende Schaltung ist in 5 dargestellt.
Dieses Blockschaltbild zeigt einen Mikrocontroller 1, in
den ein Analog/Digital(A/D)-Wandler 2 integriert
ist. Die zentrale Prozessoreinheit 3 des Mikrocontrollers 1 steuert
mit Hilfe eines entsprechenden Programms die Digitalisierung innerhalb
des A/D-Wandlers 2 und die Verarbeitung der entsprechend
gewonnenen digitalen Messwerte.
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Der
A/D-Wandler 2 weist einen Messeingang 4 und einen
Referenzeingang 5 auf. Auf den Messeingang 4 wird über einen
Vorwiderstand 6 die zu digitalisierende Messspannung Umess gelegt. Am Referenzeingang 5 liegt
die von einer Referenzspannungsquelle 7 gelieferte Referenzspannung
Uref.
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An
den Messeingang 4 wird ferner über einen weiteren Vorwiderstand 8 ein Überlagerungssignal
Usup beispielsweise in Form eines Dreiecksspannungssignals
angelegt, das von einer Überlagerungssignalquelle 9 erzeugt wird.
Bei Verwendung dieser Schaltung ist es möglich, Änderungen innerhalb einer einzigen
Auflösungsstufe
zu erfassen. Dafür
wird die Messung durch die Mittelung langsamer.
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Ein
Nachteil dieser Schaltung nach dem Stand der Technik ist die Rückwirkung
des Überlagerungssignals
auf die Signalquelle Umess. Je nach Signalquelle
kann diese Rückwirkung
ganz unterschiedliche Auswirkungen haben. Insbesondere bei der sehr
häufigen
Situation, dass unterschiedliche Signalquellen mit unterschiedlichen
Quellimpedanzen vorhanden sind, welche nacheinander über einen Multiplexer
abgefragt werden, kann die Auswirkung der Rückwirkung sehr komplex und
ungünstig
sein.
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Zwar
ist es möglich,
zwischen die Signalquelle und den für die Addition der periodischen Überlagerungsspannung
notwendigen Widerstand einen Impedanzwandler, beispielsweise einen
Operationsverstärker,
einzuschleifen. Diese Modifikation des Verfahrens nach dem Stand
der Technik hat aber den Nachteil, dass ein weiteres Bauteil im
analogen Signalweg benötigt
wird. Dies wirkt sich ungünstig auf
die Messgenauigkeit insbesondere bei Betrachtung der Temperaturkoeffizienten
aus. Bei Verwendung entsprechend hochwertiger Bauteile ist dieser Ausweg
ferner kostenaufwendig.
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Ausgehend
von der geschilderten Problematik des Standes der Technik liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine elektronische
Schaltung anzugeben, mittels derer die Auflösung eines A/D-Wandlers erhöht wird,
wobei gleichzeitig Rückwirkungen
auf die Signalquelle ausgeschlossen sein und zusätzliche Impedanzwandler im Signalweg
vermieden werden sollen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 beziehungsweise
eine dieses Verfahren umsetzende elektronische Schaltung gemäß Patentanspruch
9 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist demnach dadurch charakterisiert, dass
- – eine analogseitige
Bezugsspannung des A/D-Wandlers mit einem zeitlich sich ändernden Überlagerungssignal
moduliert wird,
- – eine
Digitalisierung der Messspannung zu zeitlich aufeinander folgenden
Zwischenmesswerten durch die periodische Abtastung der Messspannung
unter Einbeziehung der variierenden Bezugsspannung vorgenommen wird,
und
- – die
durch die Digitalisierung gewonnenen digitalen Zwischenmesswerte über mehrere
Abtastperioden zu einem auflösungserhöhten Endmesswert gemittelt
werden.
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Vorrichtungstechnisch
wird das Verfahren durch eine elektronische Schaltung umgesetzt,
die umfasst
- – einen Mikrocontroller mit
integriertem A/D-Wandler,
- – eine
Referenzspannungsquelle am analogen Referenzeingang des A/D-Wandlers,
und
- – einen
analogen Messeingang am A/D-Wandler für die zu digitalisierende Messspannung,
- – eine
zusätzlich
auf den Referenzeingang oder eine getrennte Analogmasse des Mikrocontrollers geschaltete Überlagerungssignalquelle
für das Überlagerungssignal.
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Zur
Vermeidung von Wiederholungen werden die Funktionsweise und Vorteile
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der entsprechenden Schaltung sowie die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen
bevorzugten Weiterbildungen mit ihren Merkmalen und Einzelheiten
in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erörtert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Messschaltung mit auflösungserhöhter A/D-Wandlung in einer ersten
Ausführungsform,
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2 ein
schematisches Zeit-Messwert-Diagramm zur Darstellung eines Verfahrens
zur Auflösungserhöhung eines
A/D-Wandlers,
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3 und 4 Blockschaltbilder
von Messschaltungen analog 1 in einer
zweiten und dritten Ausführungsform,
sowie
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5 ein
Blockschaltbild einer Messschaltung mit auflösungserhöhter A/D-Wandlung gemäß dem Stand
der Technik.
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Die
in 1 dargestellte Messschaltung weist wiederum einen
Mikrocontroller 1 mit A/D-Wandler 2 und Prozessoreinheit 3 auf.
Am Messeingang 4 liegt die zu erfassende und zu digitalisierende
Messspannung Umess. Dem Referenzeingang 5 ist über den
Vorwiderstand 6 die Referenzspannungsquelle 7 vorgeschaltet.
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Im
Unterschied zum Stand der Technik, wie er anhand von 5 erläutert wurde,
wird bei der hier gezeigten erfindungsgemäßen Schaltung das Überlagerungssignal
Usup der Überlagerungssignalquelle 9 über den
Vorwiderstand 8 an den Referenzeingang 5 gelegt.
Typischerweise sind dabei einerseits die Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers 2 für die Referenzspannung
Uref hoch und andrerseits die Quellimpedanzen
der Überlagerungssignal quelle 9 und
der Referenzspannungsquelle 7 niedrig. Bei geeigneter Wahl
der Werte der beiden Vorwiderstände 6, 8 wird
der Referenzspannung Uref die periodische Dreiecksspannung
Usup überlagert,
ohne dass es zu Rückwirkungen
auf die Referenzspannungsquelle 7 kommt. Wenn die Werte
der Widerstände
gleich sind, ergibt sich die Spannung am Referenzeingang 5 des A/D-Wandlers 2 aus
der Summe der Einzelspannungen. Die Werte der Vorwiderstände 6, 8 sind
dabei zweckmäßiger Weise
größer als
die Quellimpedanzen, aber geringer als die Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers 2 gewählt.
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Anhand
von 2 ist das Verfahren zur Auflösungserhöhung des A/D-Wandlers 2,
wie es mit der in 1 dargestellten Schaltung umsetzbar
ist, näher
zu erläutern.
Grundsätzlich
sind in 2 drei Auflösungsstufen 10 der
Messspannung Umess eingetragen. Beispielsweise
kann eine Auflösungsstufe
1 mV betragen. Ohne die erfindungsgemäß vorgesehenen auflösungserhöhenden Maßnahmen
würde die
in 2 eingetragene Änderung der Messspannung Umess innerhalb einer Auflösungsstufe 10, also
eine Spannungsänderung
von weniger 1 mV, die eine Grenze der Auflösungsstufe nicht überspringt,
zu keiner Änderung
des vom A/D-Wandler ermittelten Endmesswertes führen.
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Durch
die Überlagerung
der Referenzspannung Uref mit der Dreiecksspannung
Usup erfolgt die Digitalisierung der Messspannung
Umess bei der periodischen Abtastung unter
Bezug auf die durch das Überlagerungssignal
Usup geänderte
Referenzspannung Uref. Damit können die
gebildeten Zwischenmesswerte auch bei sehr niedrigen absoluten Änderungen
des eigentlichen Messsignals in Abhängigkeit des Überlagerungssignals
Auflösungsstufen überschreiten,
was vom A/D-Wandler erfassbar und über die Mittelwertbildung letztlich
zu der angestrebten Auflösungserhöhung führt. Die Amplitude
des Überlagerungssignals
Usup sollte dabei für alle hier offenbarten Varianten
mindestens das 3- bis 4-fache einer Auflösungsstufe 10 betragen,
jedoch keinem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen. Die Frequenz
des Überlagerungssignals
Usup ist so gewählt, dass über mindestens eine, besser über mehrere
Perioden des Überlagerungssignals
Usup gemittelt werden kann. Die Mittelung
kann über
mindestens 10, besser 100, 500 oder 1000 und mehr Abtastwerte erfolgen.
Aufgrund der Digitalisierung der Messspannung Umess zu
zeitlich aufeinander folgenden Zwischenmesswerten durch die periodische
Abtastung der Messspannung Umess unter Einbeziehung
der variierenden Bezugsspannung Uref + Usup und einer Mittelung der durch die Digitalisierung
gewonnenen digitalen Zwischenmesswerte über mehrere Abtastperioden
wird ein auflösungserhöhter Endmesswert
Uend mit Hilfe des A/D-Wandlers 2 und
der Prozessoreinheit 3 des Mikrocontrollers 1 ermittelt.
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Wie
in 2 durch die die Endmesswerte Uend repräsentierende
Kurve im Ergebnis dargestellt ist, spiegelt sich der unterhalb der
Auflösungsstufe liegende
Sprung der Messspannung Umess deutlich im Endwert
wieder. Durch die zeitliche Mittelung wird der Sprung genauso geglättet, wie
die Auswirkung des Überlagerungssignals
Usup. Eine weitere Glättung der Endmesswerte ließe sich
durch eine Erhöhung über die
der 2 zugrunde liegende Zahl von 32 Abtastwerten hinaus
erzielen.
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Bei
der in 1 gezeigten Schaltung gibt es keine Rückwirkungen
des Überlagerungssignals
Usup auf die Quellimpedanz der Spannungsquelle
Umess. Dies ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn über
einen Multiplexer zwischen mehreren Spannungsquellen mit möglicherweise
unterschiedlichen Quellimpedanzen umgeschaltet werden soll. Dieser
Fall ist in 3 dargestellt. Hier wird ein
einzelner Mikrocontroller 1 zur Messung dreier Spannungen
U1, U2 und U3 eingesetzt, die über einen Multiplexer 11 zyklisch auf
den Messeingang 4 des A/D-Wandlers 2 in dem Mikrocontroller 1 gelegt
werden.
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In 4 ist
abschließend
eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt,
bei welcher der Analogmasse 12 des Mikrocontrollers 1 mit
integriertem A/D-Wandler 2 einer periodischen Dreiecksspannung
Usup überlagert
wird. Diese Lösung
kann angewendet werden, wenn Analog- 12 und Digitalmasse 13 des
Mikrocontrollers 1 getrennt sind. Aufgrund der gezeigten
Beschaltung werden die Digitalisierung der zeitlich aufeinanderfolgend
abgetasteten Messspannung Umess und die
Ermittlung der digitalen Zwischenmesswerte unter Bezugnahme auf
eine durch das Überlagerungssignal Usup modulierte Basis bezogen, wodurch wiederum im
Rahmen der durchgeführten
Mittelung eine Auflösungserhöhung und
Glättung
bei den ermittelten Endmesswerten Uend stattfinden.