DE2028154A1

DE2028154A1 - Abtastschaltung für Meßzwecke

Info

Publication number: DE2028154A1
Application number: DE19702028154
Authority: DE
Inventors: Eric Headley Hampshire Metcalf (Grossbritannien)
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1969-06-11
Filing date: 1970-06-09
Publication date: 1970-12-17
Also published as: DE2028154B2; US3659086A; SE366592B; CA926511A; FR2045988A1; GB1276138A

Description

Si.-Ing. Wilhelm ReIcIiBl
BipL-ΐηα. Wcligcmg Reiclial

. β FrcniMur* a. M. 1 6325

1?

The Solartron Electronic Group Limited,|arnbpröugh,Hampshire»

!England

Abtastschaltung für Meßzwecke,

Die Erfindung "betrifft eine Abtastschaltung für Meßzwecke und bezieht sich insbesondere , jedoch nicht ausschließlich, auf eine Schaltung, die in Verbindung mit Analog-Digital Umformern, z.B. Digitalvoltmetern und anderen digitalen Meßinstrumenten benutzt werden kann, bei denen ein Signal abgetastet, wird, um einen digitalen Meßwert zu erhalten. Es ist bekannt, daß bei einem Gerät,welches zwei Abtastwerte verarbeitet, die durch ein Zeitinter vail Qi getrennt sind, theoretisch eine vollkommene Störsignalunterdrückung stattfindet, und zwar für Störsignale, die ein Gleichstromsignal mit einer Prequenz von 1/21 und ungeradzahligen Harmonischen derselben stören würden. Diese Maßnahme kann dazu benutzt werden, um einen 5OHz Wetzbrumm zu unterdrücken,indem z.B. die Abtastungen einen Abstand von 10ms aufweisen.

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung dieses Abtastverfahrens , das , wie sich aus den folgenden Ausführungen ergibt, unter anderem den Vorteil hat, daß die Genauigkeit eines sehr einfachen und billig herzustellenden Analog- Digital Umformers verbessert werden kann. Die Schaltung· hat ferner einen größeren Anwendungsbereich, da nicht nur eine, sondern auch mehrere Störfrequenzen unterdrückt werden können.

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Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine das elektrische Eingangssignal wiederholt abtastende Einrichtung^ die mindestens 10 aufeinanderfolgende und durch vorbe ·* stimmte Abstände getrennte Abtasteignalö erzeugt, und durch eine die Abtastsignale !kumulativ- integrierende Schaltung.

* ^f

Die Abtastsignale können als Analogsignale erhalten bleiben und werden in dieser Form integriert, z.B. indem die„Abtastsignale einem. Kondensator oder einer komplizierteren Integrationssohaltung zugeführt werden. Die Abtasteinrichtung kann ein Analog- Digital Umformer sein, der einen digitalen Meßwert von jedem Abtastsignal ableitet, wobei die Digitalwerte kumulativ gespeichert werden,um die 1 kumulative Integration zu bewirken.

Bei der einfachsten Ausführungsform der Erfindung, bei der z.B. 10 oder 100 oder mehr Abtastsignale mit gleichen Abständen abgeleitet werden, ist die Wirkung ähnlich derjenigen einer wiederholten Laboratoriumsmessung, wodurch zufällige Fehler in der Messung wesentlich vermindert werden. Man kann die Erfindung auch so betrachten, daß die wiederholte Abtastung eine Integration des Eingangssignals über die gesamte Meßdauer nachbildet, wobei die Meßdauer gleich dem Eeziprokwert der vorherrschenden Störfrequenz gemacht werden kann ,um eine Störunterdrückung zu erreichen, wie sie bei integrierenden Analog-Digital Umformern möglich ist. Die Erfindung kann sich daher eines einfachen Analog-Digital Umformers bedienen, wie er weiter unten beschrieben wird. Obwohl die dem Analog-Digital Umformer innewohnende Empfindlichkeit und Genauigkeit wesentlich geringer sein kann, als die Empfindlichkeit und Genauigkeit einer komplizierten Integrationsschaltung, die auch eine Analog-Digital

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Umformung ergibt, wird die Anwendbarkeit der Erfindung in vielen Fällen durch die Einfachheit der Schaltung gefördert und es ist zweckmäßig, einen Eingangsverstärker vorzusehen, um die Empfindlichkeit noch zu erhöhen und die Anordnung so zu treffen, da3 eine automatische periodische Kalibrierung mit Bezug auf einen Bezugswert vorgenommen wird, um die Genauigkeit zu erhöhen, wie dies in Verbindung mit Gleichstromverstärkern an sich bekannt ist, die zur Datenabtastung benutzt werden.

Die Erfindung ist nicht auf den einfachsten Anwendungsfallbeschränkt, In einer früheren. Anmeldung der Anmelderin ist vorgeschlagen worden, den Gewichtsfaktor,mit dem ein Signal integriert wird, während einer Meßperiode zu ändern und es wurde dort angegeben, wie eine Störunterdrückung erzielt werden kann , indem z.B. die Integrierung mit einem Gewichtsfaktor durchgeführt wird, der in den Zeiten -2T t¹ -3T/2 und -T/2 t¹ 0 den Wert Eins hat, wobei die Zeit t· von t'=O am Ende der Meßperiode gemessen wird, die eine Dauer von 2T hat, und bei dem der Gewichtsfaktor während des Zeitintervalls -3T/2 t' T/2 drei beträgt.'Dies ist nur eine der vielen vorteilhaft anzuwendenden Gewichtsfunktionen , die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung leicht nachgebildet werden kann.

Eine wichtige Weiterbildung der Erfindung bezieht sich daher darauf , daß der Gewichtsfaktor , mit dem die Abtastwerte kumulativ integriert werden, für verschiedene Abtastwerte verschieden ist und /oder daß die Abtastwerte mit verschiedenen vorbestimmten Zeitabständen erzeugt werden.

•Obwohl die Erfindung ein Hauptanwendungsgebiet bei Analog-Digital Umformern hat, erlaubt sie doch ganz allgemein ein

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aktives Filtern eines Analogsignals , um unerwünschte Störkomponenten zu unterdrücken und um entsprechend der angewandten Gewichtsfunktion kohärente Komponenten aufzuwählen.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Diese Ausführungsbeispiele bilden die oben angegebene Ge wichtsfunktion nach. Ein Ausführungsbeispiel , bei dem gleichabständige Abtastsignale mit gleichem Gewicht erzeugt werden, wird nicht beschrieben, da diese Vereinfachung des Ausführungsbeispieles ohne weiteres klar ist. Zur Vereinfachung wird angenommen, daß die Zahl der Abtastungen zwölf beträgt. In der Praxis werden größere Zahlen bevorzugt, z.B. 100 oder 1000.

In den Zeichnungen ist :

Fig. 1 ein erläuterndes Diagramm,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform.

Fig. 1 stellt ein Gleichstromsignal V dar, das an den Stellen S zwölf mal abgetastet wird, um Impulse N₁ bis N-, ₂ ^zu erhalten. Wenn diese Impulse !laimuiatiV' gezählt werden,wobei N, bis Ng mit 3 multipliziert wird, dann nähert die kumulative Zählung den Wert an, der erhalten würde, wenn man V über die gesamte Abtastperiode 2T integriert, wobei V (oder der kontinuierlich erzeugte Integralwert) mit einer Gewichtsfunktion X multipliziert ist. die oben erwähnt, ist der praktische Wert einer solchen Integration in der oben genannten früheren Anmeldung erläutert.

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Die Analog-Digital Umformerschaltung der Pig. 2 dient dazu, diesen Abtastvorgang zu erzeugen.

Die Abtastsignale werden in Intervallen erzeugt, die durch einen Taktgeber IO mit der Periode t hervorgerufen werden. Dabei ist 12t = 2T und die Zeit 12t ist gleich der Periode eines Störsignals, mit dem die Eingangsspannung V behaftet ist oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen dieser Periode. Wenn eine Messung ausgeführt werden soll, wird eine zur Ingangsetzung benutzte bistabile Schaltung 12 gesetzt, so daß ein Tor 13 geöffnet wird, welches Taktimpulse von dem Taktgeber 10 einem Analog-Digital "Umformer 14 zuführt,sowie einem zwölfstufigen Ringzähler 16, der den Abtastvorgang steuert. Der zwölfte .Ausgang des Ringzählers setzt die bistabile Schaltung 12 wieder zurück , um die Messung zu beenden.

Der Analog-Digital Umformer 14 enthält einen Eingangsverstärker 18 , der an die Eingangsklemme 20 angeschlossen ist, an der die Spannung V liegt .Der Verstärker 18 führt eine Spannung V d'em Eingang eines Differentialverstärkers 22 zu. Wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers 22 negativ wird, wird eine Triggerschaltung 24 gesetzt, so daß ein Tor 26 geöffnet wird und schnelle Taktimpulse eines Taktgebers 28 in einen Zähler 30 speist. Die in dem Zähler vorhandene Zahl wird in eine Rüc kkopplungs spannung V-u umgewandelt und dem anderen Eingang des Verstärkers 22 durch eitm Digital-Analog Umformer 32 zugeführt, der z.B. aus geschalteten Widerständen bestehen kann. Um V abzutasten, ist es nur notwendig, den Zähler 30 zurückzustellen, und dies wird durch jeden Abtastimpuls, der durch das Tor 13 hindurchgeht, ausgeführt.

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Die Triggerschaltung 24 wird hierdurch gesetzt und die schnellen Impulse passieren die Torschaltung. Der Zähler 30 zählt rasch bis zur Zahl N₁, die: bewirkt, daß V^ die Spannung V¹ genau ausgleicht · (i » 1 bis 12). ,

Diese Art eines Analog- Digital Umformers ist an sich bekannt und kann in einfacher Weise als integrierte Schaltung hergestellt werden, bei der die Widerstände aus dünnen Schichten bestehen.

Nach einer passenden Verzögerung , die durch eine Verzögerungsschaltung 34 hervorgerufen wird, bewirkt jeder Abtastimpuls , der durch das Tor 13 hindurchgeht, daß die Zahl IL in dem Zähler 30 einem Akkumulator 36 hinzuaddiert wird, ohne daß jedoch der Zähler 30 ausgeleert wird (da dies nur direkt durch einen Abtastimpuls geschieht ). Wie man diese Additionen bewirken kann, istin der Digital-Technik bekannt. In der Schaltung ist symbolisch ein Tor 38 angegeben, das durch den verzögerten Abtastimpuls geöffnet wird.

tfenn sich der Eingzähler im Zustand 4 bis 9 befindet, wird ein Signal von einer ODER-Schaltung 40 erhalten, welches bewirkt, daß IL .( i = 4 bis 9 ) in den Akkumulator 36 dreimal eingezählt wird und nicht nur einmal. Das Ausgangssignal der Torschaltung 40 schließt einen Transistorschalter 42, der das Ausgangesignal der Verzögerungsschalter 34 an zwei weitere in Kaskade geschaltete Verzögerungsschaltungen 44 und 46 abgibt, deren Ausgangssignale dazu dienen, die Torschaltung zu öffnen.

Die im Akkumulator erhaltene Endzahl beträgt N multipliziert mit (3+3.6+3) = 24N ,wobei N der gewünschte Mittelwert der Messung ist. Die Wirkung der wiederholten Abtastung mit verschiedenem Gewicht ist , daß ein linearer Maßstabfaktor eingeführt wird, wenn es sich um eine Gleichspannung am Ein-

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Es idt daher ohne weiteres möglich, die Anordnung so zu treffen, daß die Zahl, die in dem Akkumulator 3d tatsächlich gespeichert wird, eine direkte Ablesung von V ergibt (z.B. durch geeigneten Maßstab des Digital-Analog Umwandler 32) .

Es ist nicht notwendig, daß die Abtastungen- gleiche Ab stände haben und eine Veränderung des Abstandes der Abtastungen ergibt eine alternative Methode, um den Gewichtsfaktor in Übereinstimmung mit der Funktion X zu ändern. Diese Möglichkeit ist in Pig. 3 näher erläutert, bei der ein Analog-Digital Umformer 14 genau wie in Fig.2 benutzt wird. Der Taktgeber 10· läuft nun mit der dreifachen Frequenz des Taktgebers 10 in Fig. 2. Das Ausgangs signal des Tores 13 wird einem Teiler 48 zugeführt, der durch drei teilt, und dessen Ausgangssignal den Ringzähler 16 speist.

Bei den Werten 1, 2, 3, 10, 11 und 12 des Zählers 16 wird ein Schalter 50 durch ein ODER-Tor 52 geschlossen, um die Ausgangssignale der Teilerschaltung 48 als Abtastimpulse zu benutzen, welche den Zähler in dem Analog-Digital Umformer 14 ausleeren und die Verzögerungsschaltung 34 durch laufen, um das Tor 38 zu öffnen ( die weiteren Verzögerungs·» schaltungen 44 und 46 werden nicht benötigt).

Bei den Werten 4 bis 9 wird das ungeteilte Ausgangssignal der Torschaltung 13 als Abtastsignal benutzt , so daß drei Abtastsignale an jeder dieser Stellen erzeugt werden. Das Ausgangesignal des ODER-Tors 40 schließt nun einen Schalter 54 anstelle des Schalters 50·

Durch die Erfindung ist es möglich, einen Analog-Digital Umformer niedriger Auflösung zu benutzen, um eine Messung hoher

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Genauigkeit oder Auflösung zu erhalten. Wenn die Auflösung 1 zu M ist, und N Messungen vorgenommen werden, ergibt sich eine Endgenauigkeit infolge eines statistischen Ergebnisses von 1 zu /Sf.M, vorausgesetzt natürlich, daß der Umformer auf 1 zu /N.M.genau ist. (Durch die Erfindung werden lediglich statistische Fehler vermindert. Die Erfindung kann nicht systematische Fehler vermindern.) Dabei wird vorausgesetzt, daß das Analogsignal eine willkürliche oder zufällige Komponente enthält, da andernfalls ein Umformer niedriger Auflösung lediglich zu einem Abrundungsfehler führen würde, v/enn jedoch das Signal frei von Störungen sein sollte, kann die Erfindung in der V/eise angewendet werden, daß lediglich ein Störsignal dem Signal zugeführt wird, z.B. ein Rauschsignal oder ein Pseudorauschsignal oder ein periodi sches Signal mit einer Periode, die gleich einem ganzzahligen Bruchteil der Meßperiode ist. Die Wahrstheinlichkeitsverteilung der Amplituden des hinzugefügten Signals sollte für alle Amplituden zwischen den Spitzenamplituden flach sein. Geeignete Signale sind z.B. dreieckförmig oder sägezahnförmig verlaufende Signale.

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Claims

« 54 Pa tent an s ρ r ü ο he

1.) Abtastschaltung für Meßzwecke ,gekennzeichnet durch eine das elektrische Eingangssignal wiederholt abtastende Einrichtung , die mindestens 10 aufeinanderfolgende und durch vorbestimmte Abstände getrennte Abtastsignals erzeugt, und durch eine die Abtastsignale kumulativ- integrierende Schaltung.

2 j Schaltung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Abtastungen mindestens 100 beträgt. .

3. Schaltung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichne t„-^ydaß die abtastende Einrichtung eine Analog-Abtastung des Eingangesignals vornimmt und diese Werte einer Analog-Integrierschaltung zuführt*

4. Schaltung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch

g e k e η η ζ ei ohne t, daß die Abtasteinrichtung einen Atralög-Digital Umformer (14) enthält, der einen Digitalwert von Jeder Abtastung liefert und daß die integrierende Einrichtung (36) die Digitalwerte akkumuliert.

5» Schaltung nach Anspruch 4_f da d u r c h g β k e η nze i ch η e t, daß der Analog- Digital Umformer eine Taktiiapulscjuelle- (28) enthält, sowie einen Zähler (30), der die Itaktimpulse zählt,und daß ein Digital-Analog Umformen (32) auf den Zähler anspricht und ein Rüokfcöpp-· \ lungssignal liefert, und daß eine Vergleichsschaltung (22,24) das Eingangssignal mit dem Rüokkopplungssignal vergleicht

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-Mf-

und Zählung der Impulse unterbricht, wenn das Rückkopplungssignal die gleiche Größe wie das Eingangssignal aufweist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Digital- Analog Umformer (*32) umschaltbare Widerstände aufweist.

7. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsfaktor, mit dem die Abtastsignale integriert: werden, bei verschiedenen Abtastsignalen verschieden ist.

8. Sohaltung nach Ansprüchen 4 und 7 » da d u r c h gekennzeichnet, daß der Analog-Digital Umformer (14) einen Zähler(30) enthält,der den Digitalwert festhält, und daß die Integriereinrichtung einen Akkumulator (36) und Einrichtungen (34»38 bis 4o) aufweist, die bewirken, daß der Inhalt des Zählers in den Akkumulator für verschiedene Abtastsignale verschieden oft addiert wird.

9. Schaltung nach Ansprüchen 1 bis 6, d ad u r ob,

g eke η χι ζ ei c hne t , daß die Abtasteinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Abtastsignale in verschiedenen vorbestimmten Intervallen erzeugt»

10. Schaltung nach Ansprüchen.4- und 9·."% d'Λ du t e h; g β k e η η ζ e i ο h η e t _r daß der Analog-Digital . Umformer (14) einen Zählet^ C3^) enthält» der den Digital-. wert festhält» und daß die lategriereinriöhtung einen' Akkumulator (36)aufweist, während die Abtagteinriohtutig eine Impulsquellö (12t*» 48> 5O; 54) enthält _t deren ImV pulse versohiedene Abstände haben-"^"wobel der Aiiälog-Digitalümformer so geschaltet ist, daß er einen neuen Abtastwert bei jedem Impuls erzeugt und dann den/Inhalt des Zählers in den Akkumulator einführt.

L e e r s e i t e