DE10229804A1 - Vorrichtung zum Linearisieren eines nichtlinearen Spannungs-/Strom-Ausgangssignalverlaufs einer Bauelement-Einheit - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung zum Linearisieren eines nichtlinearen Spannungs-/Strom-Ausgangssignalverlaufs einer mit einem Anregungssignal zu betreibenden Bauelement-Einheit, bei der es sich insbesondere um die Ausgangskennlinie eines Sensors (10) handelt, ist versehen mit einem Analogsignal-Frequenz-Umsetzer (12) mit Quantisierungsrauschen zum Umsetzen des Spannungs-/Stromsignals in ein digitales Impulsfolge-Ausgangssignal, dessen Dichte ein Maß für die Größe des Spannungs-/Stromsignals ist, und einer Einheit (16) zur Ermittlung der Anzahl der Impulse des Ausgangssignals des Analog-Frequenz-Umsetzers (12) pro Zeiteinheit. Ferner weist die Vorrichtung eine Einheit (18, 20) zum Umsetzen des Ausgangssignals der Impulsanzahl-Ermittlungseinheit (16) in ein Analogsignal zur Korrektur der Bauelement-Einheit zwecks Linearisierung derselben, einen Mittelwertbildner (22) zur Mittelung der Korrektursignale und einen Addierer (24) zum Erzeugen eines Ausgangssignals aus der Addition des gemittelten Korrektursignals und einem vorgegebenen Signal auf, wobei die Bauelement-Einheit mit dem Ausgangssignal des Addierers betreibbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Linearisieren eines nichtlinearen Spannungs-/Strom-Ausgangssignalverlaufs einer Bauelement-Einheit, bei der es sich insbesondere um einen Sensor handelt, wobei die Korrektur des nichtlinearen Spannungs-/Stromkennlinienverlaufs bzw. des nichtlinearen Sensors mittels Oversampling-A/D-Umsetzung und nichtlinearer Rückkopplung erfolgt. Die Erfindung ist sowohl bei mit und ohne Anregungsspannungen zu betreibenden Sensoren einsetzbar. Als Beispiel für einen mit einer Anregungsspannung zu betreibenden Sensor sei hier auf eine piezoelektrische oder magnetoresistive Brücke verwiesen; ein Beispiel für einen ohne Anregungsspannung zu betreibenden Sensor ist ein Thermopile. Anstelle einer Linearisierung eines Ausgangssignalverlaufs ist es mit der Erfindung ebenfalls möglich, einen Ausgangssignalverlauf jedweder Art in einen gewünschten anderen Verlauf umzusetzen.
• In technischen Systemen, insbesondere in technischen Messsystemen ist man häufig mit dem Problem konfrontiert, den nichtlinearen Verlauf eines elektrischen Signal (Spannung oder Strom) linearisieren zu müssen, um eine hinreichend hohe Genauigkeit zu erreichen. Dies trifft insbesondere auf viele Sensorsysteme zu, wo es meistens erforderlich ist, die nichtlineare Transferkennlinie (Ausgangskennlinie des Sensors) zu linearisieren.
• Ein Verfahren zur Linearisierung einer gekrümmten Transferkennlinie, das heutzutage vielfach angewendet wird, ist die Rückführung der Ausgangsspannung des Sensorsignalverstärkers auf die Anregungsspannung des Sensors. Dieses bekannte Verfahren ist in "CMOS-Verstärker mit niedriger Leistungsaufnahme für medizintechnische Sensorsysteme", Seiten 86 bis 88, Fraunhofer IRB-Verlag (ISBN 3-8167-5187-3) beschrieben und in Fig. 1 als Blockschaltbild gezeigt.
• Wie Fig. 1 zeigt, wird ein Teil oder die gesamte Ausgangsspannung vom Sensor 1 geliefert und von einem Sensorverstärker 2 verstärkte Ausgangsspannung auf die Anregungsspannung U_B (oder den Anregungsstrom) des Sensors zurückgeführt. Ein Addierer 3 addiert dazu beispielsweise zur Anregungsspannung einer Widerstandsbrücke oder zum Anregungsstrom eines Hallsensors einen durch den Subtrahierer 4 definierten Anteil des Ausgangssignals des Verstärkers 2 hinzu. Durch diese Rückkopplung (je nach Art der Krümmung positiv oder negativ) wird eine Linearisierung der gekrümmten Kennlinie des Sensors 1 erreicht.
• Ein weiteres Verfahren zur Linearisierung ohne Rückkopplung stellt die Verwendung nichtlinearer Verstärker dar, die die Kennlinienkrümmung wieder korrigieren. Jedoch sind diese Verstärker in der Praxis schwer zu realisieren und sehr parameterempfindlich.
• Weiterhin kann das Ausgangssignal des Verstärkers analogdigital umgesetzt werden, und anschließend eine Kennlinienkorrektur rechnerisch über ein entsprechendes Rechenwerk erfolgen. Auch dieses Verfahren reagiert mitunter recht empfindlich auf Parameterschwankungen und benötigt eventuell sehr viele Stützstellen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Linearisieren eines nichtlinearen Spannungs-/Strom-Ausgangssignalverlaufs zu schaffen, bei der Realisierung auf Standard-Schaltungen zurückgegriffen werden kann, die stabil gegen Parameterschwankungen sind.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung gemäß einer ersten Variante eine Vorrichtung zum Linearisieren eines nichtlinearen Spannungs-/Strom- Ausgangssignalverlaufs einer mit einem Anregungssignal zu betreibenden Bauelement-Einheit, insbesondere der Ausgangskennlinie eines Sensors, vorgeschlagen, die versehen ist mit
  
• - einem Analogsignal-Frequenz-Umsetzer mit Quantisierungsrauschen zum Umsetzen des Spannungs-/Stromsignals in ein digitales Impulsfolge-Ausgangssignal, dessen Dichte ein Maß für die Größe des Spannungs-/Stromsignals ist,
• - einer Einheit zur Ermittlung der Anzahl der Impulse des Ausgangssignals des Analog-Frequenz-Umsetzers pro Zeiteinheit,
• - einer Einheit zum Umsetzen des Ausgangssignals der Impulsanzahl-Ermittlungseinheit in ein Analogsignal zur Korrektur der Bauelement-Einheit zwecks Linearisierung derselben,
• - einem Mittelwertbildner zur Mittelung der Korrektursignale und
• - einem Addierer zum Erzeugen eines Ausgangssignals aus der Addition des gemittelten Korrektursignals und einem vorgegebenen Signal, wobei die Bauelement-Einheit mit dem Ausgangssignal des Addierers betreibbar ist.
• Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung wird zur Lösung der obigen Aufgabe eine Vorrichtung zum Linearisieren eines nichtlinearen Spannungs-/Strom-Ausgangssignalverlaufs einer Bauelement-Einheit, insbesondere der Ausgangskennlinie eines Sensors, vorgeschlagen, die versehen ist mit
  
• - einem Analogsignal-Frequenz-Umsetzer mit Quantisierungsrauschen zum Umsetzen des Spannungs-/Stromsignals in ein digitales Impulsfolge-Ausgangssignal, dessen Dichte ein Maß für die Größe des Spannungs-/Stromsignals ist, wobei der Umsetzer eine Quantisierung unter Verwendung eines Referenzsignals durchführt,
• - einer Einheit zur Ermittlung der Anzahl der Impulse des Ausgangssignals des Analog-Frequenz-Umsetzers pro Zeiteinheit,
• - einer Einheit zum Umsetzen des Ausgangssignals der Impulsanzahl-Ermittlungseinheit in ein Analogsignal zur Korrektur der Bauelement-Einheit zwecks Linearisierung derselben,
• - einem Mittelwertbildner zur Mittelung der Korrektursignale und einem Addierer zum Erzeugen eines Ausgangssignals aus der Addition des gemittelten Korrektursigrials und einem vorgegebenen Signal,
• - wobei das Referenzsignal des Analogsignal-Frequenz-Umsetzers anhand des Ausgangssignals des Addierers gebildet und insbesondere das Ausgangssignal des Addierers ist.
• Nach den beiden zuvor gerannten erfindungsgemäßen Varianten wird das Ausgangssignal der Bauelement-Einheit, bei der es sich um eine Schaltung oder einen Sensor handelt, einem Oversampling mit Quantisierungsrauschen unterzogen, indem das Ausgangssignal einem Analogsignal-Frequenz-Umsetzer zugeführt wird. Dieser Umsetzer erzeugt ein digitales Ausgangssignal in Form einer Folge von Impulsen, deren Dichte ein Maß für die Größe des aktuellen Ausgangssignals der Bauelement-Einheit und insbesondere proportional dazu ist. Auf Grund des Quantisierungsrauschens ist die Umsetzung des analogen Signals in das digitale Ausgangssignal ungenau, wobei es um einen Mittelwert schwankt, der dem Digitalwert des umzusetzenden Analogsignals entspricht.
• Vorteilhafterweise wird als Analogsignal-Frequenz-Umsetzer ein Sigma-Delta- Modulator mindestens zweiter Ordnung eingesetzt, der einen einfachen Aufbau aufweist und sich demzufolge leicht als Halbleiterschaltung auf einem Chip realisieren lässt.
• Das Ausgangssignal des Analogsignal-Frequenz-Umsetzers wird einer Einheit zur Ermittlung der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit zugeführt. Bei dieser Einheit handelt es sich insbesondere um ein digitales Tiefpassfilter. Mit Hilfe dieser Einheit lässt sich die Anzahl von Impulsen für die zuletzt verstrichene Zeiteinheit der zurückliegenden Impulsfolge ermitteln. Auch das Ausgangssignal dieser Einheit schwankt um einen Mittelwert.
• In einer nächsten Einheit wird das Ausgangssignal der Impulsanzahl-Ermittlungseinheit in ein Analogsignal umgesetzt, das der Bauelement-Einheit zwecks Linearisierung des Ausgangssignalverlaufs zugeführt werden müsste. Bei dieser Einheit handelt es sich insbesondere um einen Digital-Analog- Wandler, dem vorzugsweise ein Speicher (beispielsweise ROM-Speicher) vorgeschaltet ist, in dem eine Tabelle abgelegt ist. Diese Tabelle enthält als Eingangswerte die Werte, die das Ausgangssignal der Impulsanzahl-Ertnittlungseinheit annehmen kann, und als Ausgangswerte diejenigen Wert, um die der Ausgangssignalverlauf der Bauelement-Einheit zwecks Linearisierung korrigiert werden muss.
• Das Ausgangssignal der zuvor beschriebenen Umsetzeinheit wird einem Mittelwertbildner zugeführt, in dem die Korrektursignale gemittelt werden. Dieser Mittelwertbildner verarbeitet das analoge Korrektursignal am Ausgang der Impulsanzahl-Ermittlungseinheit und ist insbesondere in Form eines analogen Tiefpassfilters realisiert. Durch diese Mittelwertbildung wird der Rauschanteil aus dem Korrektursignal herausgefiltert; man erhält damit das mittlere Korrektursignal, das einem Addierer zugeführt wird. In diesem Addierer wird das gemittelte Korrektursignal mit einem vorgegebenen Signal addiert. Im Falle eines mit einer Anregungsspannung zu betreibenden Sensors, dessen Ausgangskennlinie mit der Erfindung linearisiert werden soll, wird dieses Additionssignal als Anregungssignal für den Sensor verwendet. Andernfalls wird das Additionssignal beim Oversampling in dem Analogsignal-Frequenz-Umsetzer eingesetzt, der im allgemeinen die Quantisierung unter Verwendung eines Referenzsignals durchführt. Im einfachsten Fall bildet das Additionssignal das Referenzsignal. Allgemein gesagt wird das Referenzsignal auf der Basis des Additionssignals des Addierers generiert.
• Die Besonderheiten der Erfindung liegen insbesondere darin, dass eine nichtlineare (oder auch lineare) Rückkopplung zur Korrektur verwendet wird. Die Nichtlinearität zur Korrektur wird in einem Speicher definiert. Das Oversampling-Verfahren (erfolgt in dem Analogsignal-Frequenz-Umsetzer) führt durch den hohen Rauschanteil des nur grob quantisierten Signals zu einer Glättung der Knickstellen der korrigierten Ausgangskennlinie, da zeitlich aufeinanderfolgend immer mehrere Adressen des Speichers angesteuert werden. Die Korrektur durch Rückkopplung reduziert die Parameterempfindlichkeit von Verfahren, die ohne Rückkopplung eine "Geradeauskorrektur" verwenden. Die Erfindung kann sowohl für integrierte Schaltungen wie auch auf diskrete Schaltungen angewendet werden. Neben einer Linearisierung von gekrümmten Kennlinien können selbstverständlich auch lineare oder andere Signalverläufe von Bauelement-Einheiten definiert gekrümmt werden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt also die Kombination einer rechnerischen Korrektur eines digitalisierten Signals und der Linearisierung durch Rückkopplung dar.
• In "Kennlinienbasiertes Sensorsystem zur Kalibration und Reduzierung von Querempfindlichkeiten unter Anwendung von Oversampling-Methoden", Mikroelektronik 1997 Berlin, VDE-Verlag 1997 (GMM-Fachbericht 17, Seiten 33 bis 38) wird die Linearisierung von Sensorkennlinien mittels eines Oversampling- ADCs und eines Kennlinienkorrekturspeichers beschrieben. Dieses Verfahren verwendet jedoch keine Rückführung und weist daher eine relativ hohe Parameterempfindlichkeit auf.
• Das mit der Erfindung vorgeschlagene Verfahren nutzt dagegen die Eigenschaften der Rückkopplung zur Reduzierung der Parameterempfindlichkeit und zur Minimierung der erforderlichen Stützstellen aus, und verbindet diese Vorteile mit denen einer digitalen Korrektur.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine bekannte Kennlinienkorrektur,
• Fig. 2 ein Blockschaltbild gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens und
• Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens.
• Der Sensor 10 (nachfolgend auch Sensor-Signal-Umsetzer genannt) am Eingang der Schaltung setzt das nichtelektrische Eingangssignal (Druck, Temperatur, . . .) in ein elektrisches Spannungs (oder Stromsignal) um. Dazu benötigt ein solcher Umsetzer 10 typischerweise eine Anregungsspannung V-An (z. B. Widerstandsbrücke, magnetoresistive Brücke, . . .) oder einen Anregungsstrom I-An (z. B. Hallsensor).
• Das Ausgangssignal des Umsetzers 10 (Spannung oder Strom) wird jetzt auf einen Sigma-Delta-Modulator 12 erster oder höherer Ordnung geführt. In der Praxis wird man in den meisten Fällen einen Modulator 12 von mindestens zweiter Ordnung verwenden. Das Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators 12 wird weitergeführt zu einem Dezimationsfilter 14 (in der Praxis meistens ein digitales Filter), dieses Filter generiert das gewünschte Ausgangssignal. Das Ausgangssignal kann aber auch direkt hinter dem Sensor 10 abgegriffen werden, wobei es möglicherweise noch vorverstärkt werden muss, was applikationsabhängig ist.
• Die Signalkorrektur erfolgt nun auf folgendem Weg. Zunächst gelangt das Signal des Sigma-Delta-Modulators 12 (in der Praxis meistens ein hochfrequentes 1bit pulsdichtemoduliertes Signal) auf ein digitales Vorfilter 16 (Tiefpass) und wird grob quantisiert (z. B. wird aus einem 1bit Datensignal ein 3bit Datensignal erzeugt). Dieses digitale Vorfilter 16 stellt nur einen geringen Zusatzaufwand dar. Man könnte anstelle des separaten Vorfilters auch die ersten Stufen des Dezimationsfilter 14 verwenden.
• Das Ausgangssignal des Vorfilters 16 adressiert einen Festwertspeicher 18 (ROM oder EEPROM) in dem die Korrekturwerte zur Linearisierung abgespeichert sind. Die Ausgangsleitungen des Speichers 18 steuern einen DAC 20 an, der nun ein analoges Korrektursignal (Spannung oder Strom) generiert.
• Diese Korrektursignal wird in einem analogen Tiefpassfilter 22 gefiltert, um hochfrequente Signalanteile zu beseitigen (Anti-Alias-Filter). Das gefilterte Korrektursignal V-Corr/I-Corr wird in einem Addierer 24 zum Anregungssignal V-An/I-An (je nach Vorzeichen) hinzuaddiert oder subtrahiert und korrigiert auf diese Weise die Nichtlinearität des Sensors 10.
• Die Vorteile des Verfahrens sind folgende:
  
• 1. Durch Rückkopplung erreicht man eine verbesserte Parameterunempfindlichkeit und reduziert die Anzahl der notwendigen Korrekturwerte.
• 2. Die Verwendung eines Festwertspeichers ermöglicht komplexere Korrekturverfahren als eine einfache lineare Rückführung, wie sie in "CMOS-Verstärker mit niedriger Leistungsaufnahme für medizintechnische Sensorsysteme", Fraunhofer IRB-Verlag, ISBN 3-8167-5187-3, beschrieben ist (Korrektur mehrfach gekrümmter Kurven). Nichtsdestoweniger erlaubt dieses Verfahren natürlich auch eine lineare Rückführung.
• 3. Der Zusatzaufwand zur Kennlinienkorrektur ist insbesondere dann gering, wenn das zu realisierende System bereits eine A/D-Umsetzung vorsieht. Eine Sigma-Delta-Umsetzung ist dann vielfach ein adäquates Verfahren zur A/D-Umsetzung, so dass zusätzlich nur ein kleines digitales Vorfilter und ein DAC hinzukommt. Der Festwertspeicher zur Kalibration ist in den meisten Sensorsystemen in jedem Fall erforderlich.
• 4. Die Korrektur über ein Oversampling-Verfahren vermeidet die Schwierigkeiten der präzisen Einstellung der Knickstellen nichtlinearer Verstärker. Das Rauschen der Sigma-Delta-Modulators führt zu Adressierung mehrerer Korrekturwerte des ROMs und damit zu einer "Verwaschung" des aktuellen Korrekturwerts.
• Eine weitere Verallgemeinerung des Korrekturverfahrens ist als Blockschaltbild in Fig. 3 gezeigt. So weit die einzelnen Bestandteile dieses Blockschaltbildes gleich denen der Fig. 2 sind, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Das zu korrigierende Signal sei jetzt ein nichtlineares Spannungs- oder Stromsignal einer z. B. Schaltungseinheit 10'. Die Korrektur erfolgt nun durch Veränderung der Referenzspannung des Sigma-Delta-Modulators 12. Zur Referenzspannung Vref (bzw. zum Referenzstrom Iref) wird nun eine Korrekturspannung V-Corr (bzw. Strom I-Corr) hinzuaddiert. Das weitere Verfahren ist identisch zur vorherigen Beschreibung. Lediglich die Rückführung erfolgt hier nicht über die Anregung eines Sensorsignal-Umsetzers sondern direkt über den Referenzeingang des Sigma-Delta-Modulators 12.
• Letztlich stellt die Rückführung zum Referenzeingang des Sigma-Delta-Modulators 12 statt als Anregungsspannung des Sensorsignal-Umsetzers 10 (wie in Fig. 2 gezeigt) keine prinzipielle Änderung des Verfahrens dar. Der Sensorsignal-Umsetzer hat multiplizierenden Charakter (das Ausgangssignal wird gebildet aus Messgröße multipliziert mit dem Anregungssignal). Dasselbe trifft auch für den Referenzeingangs des Sigma-Delta-Modulators zu.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Linearisieren eines nichtlinearen Spannungs-/Strom- Ausgangssignalverlaufs einer mit einem Anregungssignal zu betreibenden Bauelement-Einheit, insbesondere der Ausgangskennlinie eines Sensors, mit
einem Analogsignal-Frequenz-Umsetzer (12) mit Quantisierungsrauschen zum Umsetzen des Spannungs-/Stromsignals in ein digitales Impulsfolge-Ausgangssignal, dessen Dichte ein Maß für die Größe des Spannungs-/Stromsignals ist,
einer Einheit (16) zur Ermittlung der Anzahl der Impulse des Ausgangssignals des Analog-Frequenz-Umsetzers (12) pro Zeiteinheit,
einer Einheit (18, 20) zum Umsetzen des Ausgangssignals der Impulsanzahl-Ermittlungseinheit (16) in ein Analogsignal zur Korrektur der Bauelement-Einheit zwecks Linearisierung derselben,
einem Mittelwertbildner (22) zur Mittelung der Korrektursignale und
einem Addierer (24) zum Erzeugen eines Ausgangssignals aus der Addition des gemittelten Korrektursignals und einem vorgegebenen Signal, wobei die Bauelement-Einheit mit dem Ausgangssignal des Addierers betreibbar ist.

2. Vorrichtung zum Linearisieren eines nichtlinearen Spannungs-/Strom- Ausgangssignalverlaufs einer Bauelement-Einheit, insbesondere der Ausgangskennlinie eines Sensors, mit
einem Analogsignal-Frequenz-Umsetzer (12) mit Quantisierungsrauschen zum Umsetzen des Spannungs-/Stromsignals in ein digitales Impulsfolge-Ausgangssignal, dessen Dichte ein Maß für die Größe des Spannungs-/Stromsignals ist, wobei der Umsetzer (12) eine Quantisierung unter Verwendung eines Referenzsignals durchführt,
einer Einheit (16) zur Ermittlung der Anzahl der Impulse des Ausgangssignals des Analog-Frequenz-Umsetzers (12) pro Zeiteinheit,
einer Einheit (18, 20) zum Umsetzen des Ausgangssignals der Impulsanzahl-Ermittlungseinheit (16) in ein Analogsignal zur Korrektur der Bauelement-Einheit zwecks Linearisierung derselben,
einem Mittelwertbildner (22) zur Mittelung der Korrektursignale und
einem Addierer (24) zum Erzeugen eines Ausgangssignals aus der Addition des gemittelten Korrektursignals und einem vorgegebenen Signal,
wobei das Referenzsignal des Analogsignal-Frequenz-Umsetzers (12) anhand des Ausgangssignals des Addierers (24) gebildet und insbesondere das Ausgangssignal des Addierers (24) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Analogsignal-Frequenz-Umsetzer (12) als ein Sigma-Delta-Modulator ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsanzahl-Ermittlungseinheit (16) als ein digitales Tiefpassfilter ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzeinheit (18, 20) einen Digital-Analog-Wandler (20) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzeinheit (18, 20) einen dem Digital-Analog-Wandler (20) vorgeschalteten Speicher (18) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwertbildner (22) als ein analoges Tiefpassfilter ausgebildet ist.