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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 veränderliche 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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Das gattungsgemäße Verfahren und eine entsprechende elektronische Schaltung sind aus einer Vielzahl von Druckschriften bekannt, wie etwa der
US 4 733 216 ,
DE 24 55 052 C2 ,
US 6 172 629 B1 und
US 6 825 784 B1 . Diesem druckschriftlichen Stand der Technik ist gemeinsam, dass darin sogenannte „Dither”-Verfahren eingesetzt werden, bei denen die Überlagerungsspannung eine periodische oder Rauschspannung mit einer Amplitude ist, die deutlich unterhalb der Auflösungsstufe des A/D-Wandlers liegt. Insoweit müssen relativ hohe schaltungstechnische Anforderungen für die Erzeugung dieser kleinen Überlagerungsspannungen in Kauf genommen werden.
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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 insbesondere im Zusammenhang mit Anwendungsfällen, bei denen eine langsame Signaländerung stattfindet, auf schaltungstechnisch einfache Weise 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 5 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,
- – die durch die Digitalisierung gewonnenen digitalen Zwischenmesswerte über mehrere Abtastperioden zu einem auflösungserhöhten Endmesswert gemittelt werden,
- – das Überlagerungssignal ein periodisches Signal, insbesondere Dreieckssignal ist, wobei die Amplitude des Überlagerungssignals mindestens dem Dreifachen, aber keinem ganzzahligen Vielfachen der Auflösungsstufe (10) entspricht, und
- – die Frequenz des Überlagerungssignals so auf die Abtastrate des A/D-Wandlers abgestimmt wird, dass die Zwischenmesswerte über mehrere Perioden des Überlagerungssignals 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,
- – 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, das ein periodisches Signal, insbesondere Dreieckssignal ist, wobei
- – die Amplitude des Überlagerungssignals mindestens dem Dreifachen, aber keinem ganzzahligen Vielfachen der Auflösungsstufe (10) entspricht, und
- – die Frequenz des Überlagerungssignals so auf die Abtastrate des A/D-Wandlers abgestimmt ist, dass die Zwischenmesswerte über mehrere Perioden des Überlagerungssignals gemittelt werden.
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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 Überlagerungssignalquelle 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.
