DE19702293A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Linearisierung eines A/D-Umsetzers, insbesondere eines Wärmezählers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Linearisierung eines A/D-Umsetzers, insbesondere eines Wärmezählers, die einen von einem Meßwertgeber abgegebenen Analogsignalwert, insbesondere einer Temperatur in einen resultierenden Digital­ signalwert umsetzt, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren zur Linearisierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Analog/Digital-Umsetzer werden in der Meß-, Steuer- und Rege­ lungstechnik vielfältig eingesetzt, um von Meßwertgebern abge­ gebene Analogsignalwerte vor deren weiterer Verarbeitung in Digitalsignalwerte umzusetzen. Insbesondere werden Analog/- Digital-Umsetzer bei der Wärmemengenmessung durch Wärmezähler eingesetzt, bei denen die zwischen Vor- und Rücklauf gemessene Temperaturdifferenz der verbrauchten Wärmemenge zugrundegelegt wird. Dabei interessieren insbesondere minimale Temperaturdif­ ferenzen von etwa 3 K. - Reale Analog/Digital-Umsetzer, ins­ besondere technisch verhältnismäßig wenig aufwendige A/D-Um­ setzer, wie sie bei Wärmezählern verwendet werden, weisen in ihrem nutzbaren Umsetzungsbereich, visualisiert durch die Übertragungskennlinie, Abweichungen von dem idealen Übertra­ gungsverhalten bzw. der idealen Kennlinie auf: Außer Offset, Steigungs- und Quantisierungsfehlern treten beispielsweise durch unterschiedliche, eventuell sogar fehlende oder negative Quantisierungsstufen differentielle Nichtlinearitäten auf, die das Umsetzungsergebnis, d. h. den aus dem Analogsignalwert gewonnenen Digitalsignalwert verfälschen. Da die Temperatur­ differenzbildung bei kleinen Differenzen von z. B. 3 K fast einer Ableitung der Kennlinienfunktion entspricht, wirken sich differentielle Nichtlinearitäten hier besonders stark aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Umsetzungsverhalten eines mit differentiellen Nichtliniea­ ritäten behafteten A/D-Umsetzers mit technisch umkomplizierten Mitteln zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Vorrichtung zur Lineari­ sierung eines A/D-Umsetzers der eingangs genannten Gattung die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk­ male auf. Ein Verfahren, mit dem die Aufgabe gelöst ist, um­ faßt die in Anspruch 6 gekennzeichneten Schritte.

Die Liniearisierung mit dieser Vorrichtung beruht auf dem Prinzip, daß bei nur in einem Teil des nutzbaren Übertragungs­ bereichs, d. h. in der Übertragungskennlinie, lokal auftreten­ den differentiellen Nichtlinearitäten sichergestellt wird, daß der umzusetzende Analogsignalwert nicht nur an der Stelle der Nichtlinearität umgesetzt wird, sondern auch an anderen Stel­ len des nutzbaren Umsetzungsbereichs bzw. der Übertragungs­ kennlinie des A/D-Umsetzers. Durch aufeinanderfolgende Verschie­ bungen des Analogwertsignals in dem nutzbaren Umsetzungsbe­ reich um jeweils vorgegebene Verschiebewerte mit jeweils fol­ gender A/D-Umsetzung werden zusätzliche Digitalsignalwerte gebildet, auf die sich die genannte differentielle Nichtlineari­ tät nicht auswirkt, und es kann aus diesen insgesamt für einen Analogsignalwert gebildeten Digitalsignalwerten durch bekannte statistische Verfahren ein resultierender Digitalsignalwert gebildet werden, in den der Nichtlinearitätsfehler - abhängig von der Anzahl der Digitalsignalwerte, die in N Umsetzungs­ signalzyklen gebildet wurden, und deren Auswertung nur ver­ mindert oder überhaupt nicht eingeht. Beispielsweise geht bei einem einfachen Aufaddieren der für einen Analogsignalwert in aufeinanderfolgenden Umsetzungszyklen gebildeten Digitalsi­ gnalwerte eine Linearitätsabweichung nur mit dem Faktor 1/N ein. Durch Auswertung der für einen Analogsignalwert gespei­ cherten Digitalsignalwerte nach anderen bekannten statisti­ schen Verfahren kann die Übertragungskennlinie noch weiter linearisiert werden.

Die Verschiebewerte sind größer als der größte zu vermeidende Nichtliniearitätsbereich in dem nutzbaren Umsetzungsbereich eingestellt. Damit ist gewährleistet, daß die durch den zu vermeidenden Nichtlinearitätsbereich gegebene Problemstelle die Umsetzung nur maximal eines Analogsignalwerts während N aufeinanderfolgender Umsetzungszyklen verfälschen kann. Je weiter von diesem idealen Verschiebewert abgewichen wird, um so schlechtere Linearisierungsergebnisse werden erzielt. Die Verschlechterung des Linearisierungsergebnisses ist besonders auffällig bei Anwendung eines an sich bekannten linearen Re­ gressionsverfahrens zur Bildung des resultierenden Digitalsig­ nalwerts.

Es sind zwar bereits ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung in Verbindung mit einem A/D-Umsetzer bekannt, bei denen der Analogsignalwert in aufeinanderfolgenden Umsetzungs­ zyklen um einen jeweils festen Wert in dem gleichen Sinne verändert wird; damit wird jedoch auf eine Erhöhung der Auflö­ sung des A/D-Umsetzers abgezielt und von anderen Merkmalen Gebrauch gemacht (DE 39 01 670 C2). Insbesondere wird nach dem bekannten Verfahren der Analogsignalwert, der auch als Ein­ gangssignalwert bezeichnet wird, vor jeder Wiederholung des Umsetzungszyklus um S/N im gleichen Sinne verändert, wobei S die Stufenhöhe des A/D-Umsetzers ist. Beispielsweise kann der Wert der Verschiebung oder Veränderung S/4 betragen. Wesent­ lich ist, daß vor jedem Umsetzungszyklus der Analogsignalwert nur um den N-ten Teil der Stufenhöhe S erhöht wird, um den vorgegebenen Wertbereich der Digitalwerte, gleich nutzbarer Umsetzungsbereich, um den Faktor N zu vergrößern. Weiterhin ist nach dem bekannten Verfahren vorgesehen, daß der Analogsi­ gnalwert, gleich Eingangssignalwert, durch direkte Einwirkung auf den Meßfühler vor jeder Wiederholung des Umsetzungszyklus verändert wird, was nicht immer praktikabel ist. Vor allem ist das bekannte Verfahren nur in Verbindung mit hochwertigen Analog/Digital-Umsetzern ohne nennenswerte differentielle Nichtliniearitäten sinnvoll, deren Quantisierungsstufen gleichmäßig und damit unterteilungsfähig sind.

Zum Stand der Technik gehört ferner ein Verfahren zur Analog­ digitalumsetzung, mit dem ständige Änderungen der niedrigst­ wertigen Stelle des umgesetzten Digitalwerts vermieden werden sollen, obwohl der Analogsignalwert Schwankungen unterliegt (DE 35 40 453 A1). Um entsprechende Schwankungen der Digital­ signalwerte zu vermeiden, wird dem Analogsignalwert, gleich Eingangssignal des Analog/Digital-Umsetzers ein Zusatzsignal überlagert, welches unter allen Umständen einen Bereich von 1 bis 3 Quantisierungsstufen überdecken muß. Ziel einer darauf folgenden Mittelwertbildung der jeweils veränderten Analogsi­ gnalwerte ist es, eine Hysterese zu erzeugen, die bewirken soll, daß nicht bei jeder Schwankung des Analogsignalwerts die niedrigstwertige Stelle des Digitalsignalwerts verändert wird.

Von dieser Lehre macht die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Linearisierung eines A/D-Umsetzers keinen Gebrauch, zumal sie gemäß Anspruch 2 bzw. 7 durch eine derartige Dimensionierung der Verschiebeschaltung gekennzeichnet ist, daß der Verschie­ bewert größer als fünf Quantisierungsstufen des Analog/Digi­ tal-Umsetzers ist.

Da die Verschiebungen des Analogsignalwerts den Meßdynamikbe­ reich schmälern, in dem sich die Analogsignalwerte bei gegebe­ nem nutzbaren Umsetzungsbereich befinden können, ist die Vor­ richtung gemäß Anspruch 3 vorzugsweise durch eine solche Di­ mensionierung der Verschiebeschaltung und der Steuerung ge­ kennzeichnet, daß bei gegebener Meßdynamik des Analogsignal­ werts, d. h. bei gegebenem Analogsignalwertbereich, der nutz­ bare Umsetzungsbereich des A/D-Umsetzers durch die weiteste Verschiebung des Analogsignalwerts nicht überschritten wird. Entsprechendes gilt für das Verfahren nach Anspruch 8. Die weiteste Verschiebung ist die Summe der Verschiebewerte, um die der Analogsignalwert während N Umsetzungszyklen verschoben wird.

Bei einem Analog/Digital-Umsetzer, bei dem sich die Nichtli­ nearitätsbereiche als Problemstellen periodisch in gleichen Analogwertintervallen wiederholen, ist die Verschiebeeinrich­ tung nach Anspruch 4 vorteilhaft dimensioniert, wonach der Verschiebewert von dem Abstand der Nichtlinearitätsbereiche verschieden ist. Wenn die Verschiebewerte untereinander gleich groß sind, kann es sonst vorkommen, daß eine Synchronisation auf diese Nichtlinearitätsbereiche eintritt und durch die Ver­ schiebung des Analogsignalwerts keine nennenswerte Verbesse­ rung der Linearität erzielt wird. Entsprechendes gilt für das Verfahren nach Anspruch 9.

Zur Linearisierung des A/D-Umsetzers ist wesentlich wirksamer als das oben erwähnte Addieren der Digitalsignalwerte für den Analogsignalwert und die verschobenen Analogsignalwerte die Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wonach der Speicher mit einer Auswerteschaltung in Verbindung steht, in der durch differen­ tielle Nichtlinearitäten des A/D-Umsetzers verfälschte Digi­ talwerte bei der Bildung des resultierenden Digitalwerts unbe­ rücksichtigt bleiben. Mit anderen Worten, bei dieser Vorrich­ tung werden die durch die differentielle Nichtlinearität des A/D-Umsetzers verfälschten Digitalwerte aussortiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit drei Figuren erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Linea­ risierung;

Fig. 2 eine Kennlinie des in der Vorrichtung verwende­ ten Analog/Digital-Umsetzers in dem Fall der Umsetzung eines Analogsignalwerts und

Fig. 3 die Kennlinie gemäß Fig. 2, in der jedoch N Verschiebungen des Analogsignalwerts und die damit erhaltenen Digitalsignalwerte dargestellt sind, die der weiteren Auswertung zur Bildung eines resultierenden Digitalsignalwerts zugrun­ degelegt werden.

In dem Blockschaltbild in Fig. 1 ist mit 1 ein Multiplexer bezeichnet, der einer Verschiebeschaltung 2 vorgeschaltet ist. Der Multiplexer erhält Eingangssignale in Form eines ersten Analogsignalwerts AW1 und eines zweiten Analogsignalwerts AW2 sowie eine Referenzgröße. Die Analogsignalwerte AW1 und AW2 sind speziell die im Vorlauf und im Rücklauf einer Heizungs­ einrichtung, deren Wärmeverbrauch ermittelt werden soll, mit Fühlern erfaßten Temperaturen. Mit dem Multiplexer werden, durch eine Steuerung 3 gesteuert, nacheinander der erste Ana­ logsignalwert AW1, anschließend der zweite Analogsignalwert AW2 und schließlich zu vorbestimmten Zeitpunkten die Referenz­ größe in die Verschiebeschaltung 2 durchgeschaltet.

Die Verschiebeschaltung 2 übergibt den jeweiligen Analogsi­ gnalwert, z. B. AW1, während N aufeinanderfolgenden Umsetzungs­ zyklen in einen zyklisch arbeitenden A/D-Umsetzer 4, der beispielsweise eine Übertragungskennlinie gemäß den Fig. 2 und 3 aufweist. Die N Umsetzungszyklen zur Umsetzung eines Analog­ signalwerts werden ebenfalls durch die Steuerung 3 gesteuert.

Die Verschiebeschaltung 2 und der A/D-Umsetzer 4 wirken durch die Steuerung 3 gesteuert so zusammen, daß zunächst während eines ersten Umsetzungszyklus von insgesamt N Umsetzungszyklen der Analogsignalwert, z. B. AW1, in dem A/D-Umsetzer 4 in einen Digitalsignalwert DW10 umgesetzt wird, siehe Fig. 2. Wie aus Fig. 2 ersichtlich erfolgt diese Umsetzung in einem Nichtli­ nearitätsbereich L der Kennlinie.

Zur Speicherung und weiteren Auswertung der Digitalwertsigna­ le, hier DW10, ist ein Speicher mit Auswerteschaltung 5 vor­ gesehen.

Nachdem der Analogsignalwert AW1 in dem Nichtliniearitätsbe­ reich L der Kennlinie in einen fehlerbehafteten Digitalsignal­ wert DW10 umgesetzt ist, wird die Verschiebeschaltung durch die Steuerung 3 weitergeschaltet, wodurch der Analogsignalwert AW1 um einen Verschiebewert V, siehe Fig. 3, in Richtung des höherwertigen linearen Bereichs 1 der Kennlinie bis zu der weitesten Verschiebung VN verschoben wird. Die Verschiebung um den Verschiebewert kann durch direkte Einwirkung auf den A/D- Umsetzer 4 oder auf den Analogsignalwert AW1 bzw. AW2 reali­ siert werden. Bei den genannten Umsetzungszyklen werden die Digitalsignalwerte DW11 bis DW1N gebildet. Die Digitalsignal­ werte werden jeweils in dem Speicher mit Auswerteschaltung 5 gespeichert.

Im einfachsten Fall ist der Speicher mit Auswerteschaltung ein Summierer, der die Digitalwertsignale DW10-DW1N addiert, so daß nach N Umsetzungszyklen die gezählte Summe der Digitalsi­ gnalwerte über N Verschiebungen vorliegt. In die Summe geht die Nichtlinearität des Nichtlinearitätsbereichs L, die den Digitalsignalwert DW1 verfälscht, nur noch mit der Wichtung 1/N ein. In komplexeren Ausführungen des Speichers mit Aus­ werteschaltung 5 kann jedoch dieser fehlerbehaftete Digitalsi­ gnalwert DW1 bei der Bildung des resultierenden Digitalsignal­ werts ganz unberücksichtigt bleiben.

Anschließend wird der Multiplexer 1 weitergesteuert und der resultierende Digitalsignalwert mit dem Analog/Digital-Umset­ zer mit quasi linearisierter Kennlinie aus dem Analogsignal­ wert AW2 gebildet.

Wichtig ist, daß die Verschiebeschaltung 2 bei allen Eingangs­ signalen bzw. Analogsignalwerten AW1, AW2 reproduzierbar funk­ tioniert. Um dies insbesondere im Blick auf eine Temperatur­ abhängigkeit und/oder Langzeitstabilität festzustellen, kann das Verschiebeverhalten durch eine Referenzmessung gemessen werden, wozu in einer bestimmten Stellung des Multiplexers, die ebenfalls durch die Steuerung 3 gesteuert ist und verhält­ nismäßig selten aktiviert zu werden braucht, die Referenzgröße an dem Eingang des Multiplexers zu der Verschiebeschaltung 2 durchgeschaltet wird.

Einzelne Baugruppen der in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 dargestellten Vorrichtung können nach dem Stand der Technik (z. B. DE 39 01 670 C2) realisiert sein, abgesehen von den in den vorliegenden Unterlagen erörterten erfindungsgemäßen Merk­ malen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Linearisierung eines A/D-Umsetzers, ins­ besondere eines Wärmezählers, die einen von je einem Meßwertgeber abgebenen Analogsignalwert, insbesondere einer Temperatur in einen resultierenden Digitalsignal­ wert umsetzt, gekennzeichnet durch eine Verschiebeschaltung (2) und eine Steuerung (3), mit der der Analogsignalwert vor jeder Wiederholung eines von N Umsetzungszyklen, in denen jeweils eine Analog/Digital- Umsetzung erfolgt, um jeweils einen Verschiebewert (V) verschoben wird, durch einen Speicher (5) zur Speicherung der in N Umsetzungszyklen generierten Digitalsignalwerte, aus denen der resultierende Digitalsignalwert gebildet wird, sowie durch eine derartige Dimensionierung der Verschiebeschaltung (2), daß der Verschiebewert (V) grö­ ßer als ein größter zu vermeidender Nichtlinearitätsbe­ reich (L) in einem nutzbaren Umsetzungsbereich des A/D- Umsetzers (4) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Dimensionierung der Verschiebeschaltung (2), daß der Verschiebewert (V) größer als fünf Quanti­ sierungsstufen (S) des A/D-Umsetzers (4) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine solche Dimensionierung der Verschiebeschaltung (2) und der Steuerung (3), daß bei gegebener Meßdynamik des Analogsignalwerts der nutzbare Umsetzungsbereich des A/D- Umsetzers (4) durch die weiteste Verschiebung (VN) des Analogsignalwerts nicht überschritten wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem A/D-Umsetzer (4) mit sich in gleichen Ana­ logwertintervallen wiederholenden Nichtlinearitätsberei­ chen (L) die Verschiebeschaltung (2) so dimensioniert ist, daß der Verschiebewert (V) von dem Abstand der Nichtlinearitätsbereiche verschieden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (5) mit einer Auswerteschaltung in Ver­ bindung steht, in der durch differentielle Nichtlinea­ ritäten des A/D-Umsetzers (4) verfälschte Digitalsignal­ werte bei der Bildung des resultierenden Digitalsignal­ werts unberücksichtigt bleiben.

6. Verfahren zur Linearisierung eines A/D-Umsetzers, ins­ besondere eines Wärmezählers, das einen von je einem Meßwertgeber abgegebenen Analogsignalwert, insbesondere einer Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf in einen resultierenden Digitalsignalwert umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogsignalwert vor jeder Wiederholung eines von N Umsetzungszyklen, in denen jeweils eine Analog/Digital­ umsetzung erfolgt, um jeweils einen Verschiebewert (V1 bis VN) verschoben wird, der größer als ein größter Nichtlinearitätsbereich (L) in einem nutzbaren Umsetzungsbereich des A/D-Umsetzers (4) ist, und daß die derart generierten Digitalsignalwerte, aus denen der resultierende Digitalsignalwert gebildet wird, gespei­ chert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils um einen Verschiebewert (V1 bis VN) verscho­ ben wird, der größer als fünf Quantisierungsstufen (S) des A/D-Umsetzers ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Meßdynamik des Analogsignalwerts der nutzbare Umsetzungsbereich des A/D-Umsetzers (4) durch die weiteste Verschiebung (VN) des Analogsignalwerts nicht überschritten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines A/D-Umsetzers (4) mit sich in gleichen Analogsignalwertintervallen wiederholenden Nichtlinearitätsbereichen (V) der Analogsignalwert um Verschiebewerte (V1) verschoben wird, die von dem Abstand der Nichtlinearitätsbereiche verschieden sind.