DE1549616A1 - Fehlerkorrekturschaltung fuer Analogsignalverarbeitung - Google Patents

Description

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General Electric Company, Schenectady Ή.Y./TJSA

lehlerkorrekturschaltung für Analogsignalverarbeitung

Die Erfindung wird im Zusammenhang mit ihrem Anwendungsbeispiel bei Analog-Digitalumsetzung beschre/iben. Es bestehen verschiedene Verfahren zum Umsetzen von Analog-Spannungs- (oder Strom-)Signalen in digitale Form zur digitalen Datenverarbeitung, digitalen Spannungsanzeige oder ähnlichen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine geschlossene Schleife zu verwenden, in der ein Digital-Analogumsetzer so programmiert ist, daß er nacheinander bessere Nahrungen des unbekannten Analog-Eingangssignals herstellt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Pulslängenmodulator vorzusehen, um äerst das Gleichstromeingangssignal in ein pulslängenmoduliertes Signal umzusetzen und dann das pulslängenmodulierte Signal mit digitalen Signalen zeitlich einzustellen, (wobei das zeitliche Einteilen gleichzeitig mit der Umsetzung des Gleichstromsignals in ein pulslängenmoduliertes Signal vorgenommen werden kann)·

Es besteien zahlreiche Fehlerque11en, die für viele Analogeinrichtiiingen in den begehenden Analog-Digitalumsetzern gemeinsam sind und zu denen folgende gezählt werden können.

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Spannuigs- oder Stromabweiahungen der Gleichstromverstärker, Spannungs- oder Stromabweichungen der Transistorschalter, Änderungen der negativen oder positiven Bezugsspannungen, Änderung der Addierwiderstandswerte und Änderungen der Verzögerungszeiten.

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Fehler mit diesen Ursa eilen sind gewöhnlich vom Altern und der Temperatur abhängig und führen während kurzer Zeiten zu stabilen, wenn auch fehlerhaften Zuständen. Der übliche Weg, diese Fehler zu vermindern, besteht darin, Schaltungselemente besserer Qualität zu verwenden. Es sind jedoch Schaltungselemente besserer Qualität zu verwenden. Es sind Jedoch Schaltungselemente von ausreichender Qualität für eine gewünschte Verbesserung nicht immer verfügbar, und wenn sie vorhanden sind, dann sind sie im allgemeinen wesentlich teurer.

Im allgemeinen wird nach Auswahl des besten technischen Kompromisses die Möglichkeit für Kompensationseinstellungen durch Abgleichpötentiometer vorgesehen.Bei der Herstellung von Umsetzern wird, nachdem der Zusammenbau des Gerätes abgeschlossen ist>. jeder Umsetzer sorgfältig geprüft und einzeln j .geeichet, damit er so genau wie möglich arbeitet. Wenn dies j ausgeführt worden ist, dann wird angenommen, daß die Betriebsdrift innerhalb des Bereiches bleibt, der durch die Toleranzei der verwendeten Sohartungseüenente gegeben ist. Diese gegebener, Toleranzen sind grundsätzlich statistisch bestimmt und es ] kann nicht wirklich mit Sicherheit angenommen werden, daß j

ein bestimmter Umsetzer zu einer bestimmten Zeit nicht ohne die Prüfgenauigkeit arbeitet.

Gemäß der Erfindung wird eine Einrichtung vorgesehen, die i neue und einfache'selbstprüfende Schaltungen enthält. Diese \ selbstprüfenden Schaltungen bestehen aus einem kleinen :

i digitalen Pehlerregisteq das einen Bruchteil der Zahl der ^! Geräteausgangsbits speichert, einen damit zusammenarbeitenden kleinen Digital-Analogumsetzer, der ein verbesserndes Abwei- · chungssignal entsprechend dem Pehlerregister abgibt, welches zu dem Analogeingang hinzugefügt wird und einen Generator für ein Prüfsignal. Ein Pehlerkorrekturzyklus wird programmiert,

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der die wesentlichen Schaltungen der Analogsignalverarbeitnngseinrichtun³^ eiiiwilt, um das Prüfsignal umzusetzen. Das Prüfsignal ist so ausgewählt, daß es sowohl einen bestimmten Signalwert, der nicht 0 ist, mxi einen Wert vorsieht, der in dem Fehlerregister dann, wenn kein Fehler in der Einrichtung vorliegt, einen Digitalwert 0 erzeugt. Beispielsweise allte bei einem Analog-Digitalumsetzer,der Eingangsspannungen von 0 bis + 10,24 Volt und 11 Ausgangsbits.· mit einem Kennseichnungsbit aufweist, eine Prüfspannung von +5,12 YoIt alle Hullwerte in einem 6-Bit-Fehl erregist er erzeugen, welches die 5 am wenigsten kennzeichnenden Bits des Umsetzerausgangs speichert.

Im allgemeinen ist die Anwendung der Erfindung bei einem Umsetzer sehr nützlieh, wenn mehrere parallele analoge Eingangssignal umgesetzt werden,, dadurch, daß sie in Multiplexschaltung betrieben werden«, und daß eine ent sprechende Zahl von digitalen Ausgangsregistern vorgesehen wird. Bei dieser Anordnung bilden öle fehlerkorrektur schaltungen grand- ' sätzlich einen zusätzlichen Multiplexkanal. Dadurch· können Umsetzer hergestellt wertien, die eine größere Genauigkeit mit billigeren Schaltungsele%nten haben. Außerdem ist eins genügend große Fehlerkorrektur vorgesehen, daß wenig oäsr gar keine Eichung bei der Her*ellung des Umsetzers erforderlich ist und das Fehlerregister gibt eine ständige Anzeige äer Arbeitsweise des Umsetzers während seiner lebensdauer an»

Ein Ausführungsbeispiel üer Erfindung wird man anhand äifs Zeichnungen beispielsiialser beselirleljeiii Eabei seigeai

fig» 1 ein vereinfachtes Bloelssoiaal^mli visier "3 üi eier Erfindung., Clis "bsi yin-soi /¹^a verwendet wirci,

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Fig. 2 eine Schar von Kurvend iagffammen, die die Arbeitsweise des Analog-Digita!Umsetzers nach Fig. 1 beschreiben und

Pig. 3 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Fehlerkorrekturβchaltung nach Fig. 1.

Der Multiplex-Analog-Digitalumsetzer nach Pig. 1 benht auf einem bekannten Pulslängenmodulator, bei dem ein Modulator 30 etie veränderliche Eingangsgleichspannung periodisch in proportionale Pulslängeneignale umwandelt. Diese Signale werden in einfacher Weise dadurch in digitale Signale umgesetzt, daß die Taktimpulse während der Impulsdauer gezählt werden. Anstatt" jedoch einen Zähler für jeden Ausgangskanal vorzusehen, ist ein binärer Hauptzähler 20 vorgesehen, der parallele Ausgänge besitzt, und es sind Multiplexschieberegister 21 vorgesehen, die die Digitalsignale des Hauptzählers 20 entsprechen den Eingangssignalen speichern. Der Multiplexbetrieb wird normalerweise nach einem festen Programm ausgeführt, nach welchem eine Folge von gleichlangen Umsetzzyklen nacheinander ausgewählt und die entsprechenden parallelen Analogeingangssignale umgesetet werden. Ein Satz Analogschalter 11, 12 und 13, der normalerweise geschlossen ist, verbindet die Eingangssignale Υ., ν_χ2 und V_, mit dem Gleichstromfunktionsverstärker 31» wenn die entsprechenden Schalter offen sind, dadurch, daß Signale T · T-, T · ü?2 und T · T, programmiert sind. Normalerweise sind einige Eingangskanäle mehr vorhanden, jedoch genügen drei zur Erklärung. Die Kurvenformen dieser Signale sind in Fig. 2 dargestellt, die ihren Takt und das 50#ige Tastverhältnis angibt. Während eines eraten Programmzyklus Signa lea T_Q koipelt der Schalter 10 die Bozugsspannung ~V_R mit dem Verstärker 31. Durch Auswahl eines geeigneten .Addierwiderstandes wird die Bezügespannung -Vg eine Prüf spannungsvolle. in diesem Fell ist eie eine negative Hälfte einer vollen Amplitude. Es Bind wirksame

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Analogspannungssohalter durch bekannte Feldeffekttransistoren vorgesehen, die sich normalerweise in einem vollieitendem Zustand befinden, und die Verbindungsstelle zweier in Reihe geschalteter f'Adiäiierwi der stände mit Masse verbinden» Die entsprechenden Programmsignale abhalten die !Transistoren "ab" und verbinden die Eingangssignale dadurch mit dem Verstärker 31.

In dem Pulslängenmodulator 30 wird der Funktionsgleiohstrom verstärker 31 zusammen mit dem Rückkopplungskondensator verwendet,"wodurch eine bekannte Integrationssohaltung entsteht. Der Hauptzyklustakt wird duroh den mit der Frequenz f angesteuerten Hauptzähler 20 vorgesehen, bei welchem die höchste Bitordnungszahl einen Puls T erzeugt, der ein 50$iges Tastverhältnis hat. Der Puls T steuert die Integrationszeit dadurch, daß er die Eingangsschalter 10-13 steuert. Durch gewöhnliche Torschaltungen 19 gibt der Ausgang eines Ringzählers 29, der von dem Zähler 20 angesteuert wird, parallel programmierte Signale T · T_Q, T 'Τ*, T · Tp» T «Τ, ab. Von dem Modulator 30 werden ptalslängenmodulierte Signale erzeugt , dadurch, daß die Entladung des Kondensators 32 zeitlich gesteuert wird. Eine positive Beaugsspannung +V_R wird durch den Puls T mit Hilfe sines Sohalters 14 während der zweiten Hälfte jedes Zyklus an dnn Verstärker 31 geschaltet. Das pulslängenmodulierte Signal wird dadurch beendet, daß der Nulldurchgang des Ausganges der Integrationsschaltung abgetastet wird. Ein Differenzverstärker 39 vergleicht den Ausgang des Verstärkers 31 mit Masse und eine Differenzierschaltung 34 erzeugt einen scharfen, schnellen Puls Τ'_χ entsprechend dem Mulldurohgang. Dadurch wird der Hauptzähler durch eines der Schieberegister 21,22 und 23 abgetastet,

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welches durch die Multiplexschalter 26,27 und 28 ausgewählt wird. Damit werden digitale Ausgangssignale, die den analogen EingangsSignalen entsprechen, gespeichert. Wegen der Wirtschaftlichkeit des Systems ist es gewöhnlich vorzuziehen, die digitalen Signale der Reihe nach auszulesen, so daß die Schieberegister 21 Ms 23 durch ein Taktpuls f gesteuert werden, wodurch die Speicherbits umlaufen.

Der Umsetzer ist nicht wesentlich von den Eigenschaften der Integrationsschaltung abhängig, da' die Zuverlässigkeit nur von den Eigenschaften der Entladungsintegration abhängt, die den Eigenschaften der Ladungsintegration gleichen. D.h., t__ ist unabhängig von der RC-Zeitkonstanten und dem Vergleichspegel. In ähnlicher Weise werden Zyklustaktänderungen selbst kompensiert, da eine Änderung der Frequenz f_ proportio· nal sowohl die Ladraigs- als auch die Entladungsintegrationszeiten ändert.

Während der Zeit T_Q wird ein einfaches 6-Bit-Fehler- j einstellregister 40 durch 5 am wenigsten kennzeichnende

11 Bits und das am meisten kennzeichnende Bit (2 ) des Hauptzählers 20 eingestellt. Ein einfacher 6-Bit-Digital-Analog-Umsetzer 50 gibt eine Einstellspannung 0 ab., die ständig der Eingangsspannung des Verstärkers 31 außer während der Zeit T₀ hinzuaddiert wird. Das Fehlereinstellregister 40 und der Digital-Analog-Umsetzer 50 können einfach aufgebaut sein, da sie keine Präzisionsarbeitsweise ausführen müssen. Beispielsweise kann dl e Genauigkeit eines besonderen Umsetzers innerhalb von 1 % der vollen Skala ohne Fehlerkorrektur liegen, und wenn es erwünscht ist, diese Zahl auf 0,1 # zu verbessern, dann

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'reicht es aus, wenn der Fehler des Registers 40 und des Umsetzers 50 bei 10 ^ gehalten wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Schaltungselemente sind in Pig. 3 dargestellt.. Das Zählereinstellregister 40 enthält einen Satz von 6 Einstellschaltungen 41 - 45,welche aus in geeigneter Weise zusammengesetzten Paaren von bekannten "Nicht-Öder"-Torschaltungen bestehen. Jede Einstellschaltung wird entsprechend der Bits im Zähler 20 eingestellt, wenn sie durch T_Q · t¹ mit Hilfe der entsprechenden Abtast-"Meht"-Oder"-Torschaltungen 48 -O, 48-1, ....48-5 abgetastet wird. Die Einstellschaltungen sind im wesentlichen Flipflopschaltungen die den Zustand der abgetasteten "ITieht-0DER^H-3?orschaltungen speichern, bis sie alle durch die Hinterflanke von T » Tq³ auf O zurückgestellt werden. Der 6-Bit-Digital-Analog-Umsetzer 50 enthält mehrere Addierwiderstandspaare 51» 52,....

55, die durch "Ficht-Oder"-a!orschaltungen 58-0, 58-1

58-5 gesteuert werden. We.nn die Torschaltung .48-5 sich in den Zustand "Aus" und die anderen "Mcht-Öder"-!Porschaltungensfch in dem Zustand "Ein" befinden, dann ergibt eine Erdung der Verbindungen zwischen den Widerstandspaaren, eine abgeglichene Spannungsaufteilung zwischen +?„ und -V», so daß der auf 0 eingestellte Ausgang sich auf 0 oder auf Massepotentiel befindet. Für jedes Bit im Register 40 ergibt das entsprechend eingeschaltete Widerständspaar ein geeignetes O-Einstellungssignal ab, und eine Heike von Anzeigelampen.¹! 59-0, 59-1, ·····.59-5 stellen den Registerzustand dar.

Die wesentlichen Merkmale der

bestehen darin, daß ein Prüfsignal ,. welches nicht .0 vorgesehen wird, welches so wirkt^ claS es ate afoweiehungen , die Änderungen äer Mäierriiaaclerstänele ssiö so weiter prüft, welches jedoch "öei ia weniger

Bits des Zählers 20 0 ist, so daß das sich ergebende Fehlersignal eine wirkliche Messung des Fehlers hinsichtlich seines Vorzeichens und seiner Größe darstellt und direkt gespeichert werden kann. Beispielsweise erzeugt für änen ■bestimmten Skalenwert eine Prüfspannung von -5,12 Volt bei der. Abwesenheit eines Fehlers eine 10 000 000 000, so daß eine Abtastung der weniger bedeutenden Bits genügt, um den möglichen Fehlerbereich zu erfassen, was zu einer direkten Fehlermessung führt. Wenn eine Vorrichtung vorgesehen wird, die ein Spannungssignal zurückkoppelt, das proportional diesem Fehler ist, führt dies zu einer Selbstkorrektur. Außerdem wird dadurch,dass Sichtanzeigegeräte für die Fehleraufzeichnung oder einige andere Auslesevorrichtungen vorgesehen werden, eine gute Anzeige der Umsetzerarbeitsweise ständig sichtbar gemacht.

Der Umsetzer nach Fig. 1 ist in Wirklichkeit mit einer Teilung versehen, so daß Eingangesignale von -5,12, 0 und +5,12 Volt eine Pulslänge von t -T, von 0, T/2 bzw. T erzeugen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Eingang immer mit -V-n vorgespannt wird, und d^3 der Addierwiderstand für +V-n halbiert wird. Dadurch wird die Prüf spannung -V_R ein Null-Nachrichtensignal (was sich aufgrund der Wahl ergibt), jedoch kein Nullwertsignal in bezug auf den Nullpegel der Schaltung. Dies führt zu einer 1o 000 000 für ein Nullnachrichtensignal und die negativen Werte werden durch eine 0 durch das am meisten kennzeichende Bit und die Ziffern 2, die in den unteren Stellen komplementär sind, dargestellt.

Die Fehlerkorrekturanordnung bezieht sich auf Fehlerquellen, die im wesentlichen die gleiche Wirkung auf den Umsetzerausgang haben, unabhängig von dem Eingangs-

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signalpegel und unabhängig, welcher der EingangssehaIter usw. verwendet wird. Wenn dies auoh nicht ganz genau stimmt, so ist die Näherung in der Praxis genügend dicht, daß die Umsetzergenauigkeit zuverlässig um eine Größenordnung oder mehr vergrößert wird, wenn ein entsprechendes Prüfsignal verwendet wird, wenn die Schaltungselemente einheitlich sind, insbesondere einen hohen Grad an einheitlicher Herstellung aufweisen, und wenn insbesondere Mirkoelektronikschaltungen verwendet werden. Tatsächlich war es möglich, ohne besondere Eichung die Arbeitsweise von vergleichbaren Umsetzern ohne Fehlerkorrektur zu übertreffen, die jedoch sorgfältig einzeln vorher geeicht waren.

Selbstverständlich sind zahllose Abwandlungen der Vorrichtung nach der Erfindung möglich. Beispielsweise wenn ein Auf- Ab-Zähler als Fehlerregister 40 verwendet wird, und die Fehlerkorrektur dadurch besser wird, daß eine Fülleinstellungsverbindung mit dem Modulator 30 vorgesehen wird, wodurch der Fehler in der Fehlerkorrekturschaltung durch die Rückkopplung korrigiert wird. Ein Vorteil des dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels liegt darin, daß keine Stabilitätsprobleme, auftreten. Wegen des Aufbaus mit aufgeschnittener Schleife ist eine stabile Umsetzerwirkungsweise sichergestellt.

Gemäß der Erfindung wird ein Speioherregister verwendet, welches während einer Zeit eingestellt wird, während welcher das Gerät nicht auf veränderliche Eingangssignale anspricht, und zwar im Gegensatz zu den allgemeinen Fehlerkorrekturaohaltungen, die Rückkopplung verwenden, damit die Arbeitsweise der Einrichtung linear wird. Beim dargestellten Umsetzer wird die Linearität der Arbeitsweise nicht beeinflusst.

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Claims (3)

-10-Patentansprüche

1. Fehlerkorrekturschaltung für Analogsignalverarbeitung, gekennzeichn et durch ein η-Bit-Ausgangsregister (21- 23) zur Erzeugung von digitalen Ausgangssignalen, entsprechend unbekannten analogen Eingangssignalen, eine Datenverarbeitungsvorrichtung (19, 20, 29) zur Einstellung des Ausgangsregisters entsprechend dem analogen Eingangssignal, ein Fehlerspeicherregister (40) zur Erzeugung von digitalen Fehlersigna1en, welche weniger als η-Bits haben, eine Pulssignalquelle (10, 31^, welche ein Mgitales Nullsignal in dem Fehlerregister erzeugt, wenn die Datenverarbeitung svorrichtung ohne Fehler arbeitet, einen Digital-Analog-Umsetzer (50), der auf das Fehlerspeicherregister anspricht, zur Erzeugung eines proportionalen Null-Einst ells igna Is, welches dem Umsetzer zugeführt wird, und durch eine Multiplexschaltung (10- Hi 26 - 28), zur abwechselnden Verbindung der Prüfsignalquelle und der Analog-Eingangssignale mit der Datenverarbeitungsvorrichtung und zur abwechselnden Verbindung der Datenverarbeitungsvorrichtung mit dem Speicherregister bzw. dem Ausgangsrigister.

2. Schaltung na oh Anspruch 1, gekennz e i chnet durch eine Gruppe von Sichtanzeigegeräten (59), die auf das . \Eehlerregi9ter ansprechen, die den Fehlerkorrekturstand des Umsetzers darstellen, wobei sich das P_rüfsignal im Verhältnis zu den Schaltungen der Datenverarbeitungsvorrichtung und der Multiplexschaltung auf einem Wert . befindet, der nio-ht Null ist.

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3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Irnpüs-.längenmodulator (30) analoge Signale in impulslängenmodulierte Signale proportional zu deren Amplitude umwandelt, gekennzeichnet durch mehrere Multiplex-Eingangsschalter (10 - 14), die wahlweise eines der Gruppe der parallelen Eingangssignale mit dem Modulator verbinden, einen Hauptzähler (20), der mit dem Modulator spnchronisiert ist, um ständig digitale Signale zu erzeugen, die den Impulslängenmodulierten Signalen des Modulators entsprechen, eine Gruppe von digitalen Ausgangsregistern (21 - 23), welche auf den Modulator und den Hauptzähler anspricht, um digitale AusgangssignaIe entsprechend den analogen Eingangssignalen herzustellen, eine Prüfsigna!quelle (10,31), welche wesentlich gegen den Massepegel der Umsetzerschaltungen verschoben ist, welche parallel zu der Gruppe von analogen Eingangssignalen geschaltet ist und mit dem Modulator durch einen der Multiplexeingangsschalter (10) verbunden ist, ein Fehlerregister (40) zur Speicherung von digitalen Signalen entsprechend dem Ausgangesignal des Modulators und des Hauptzählers, und zwar derart, daß an IPehlersignal 0 erzeugt wird, wenn der Modulator fehlerfrei arbeitet, einen Digits1-Analogumsetzer (50), der auf das Pehlerregister anspricht und welcher ein entsprechendes Analogsignal zur Nulleinstellung des Modulators erzeugt, und durch eine Gruppe von Multiplexausgangsschaltungen (26 - 28) zur Verbindung der entsprechenden Ausgangsregister und des Fehlerregteters mit dem Modulatorausgang.

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