DE2256412C3

DE2256412C3 - Netzwerk für die Umsetzung analoger Werte in digitale Werte und Rückumsetzung dieser digitalen Werte in analoge Werte zum Zwecke der Meßwertspeicherung

Info

Publication number: DE2256412C3
Application number: DE2256412A
Authority: DE
Inventors: Manfred 6101 Weiterstadt Kreuzer
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1972-11-17
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2256412A1; DE2256412B2; GB1397484A

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzwerk für die Umsetzung eines oder mehrerer analoger Werte in digitale Werte und Rückumsetzung dieser digitalen Werte in analoge Werte nach dem Stufenkompensa-Ironsverfahren oder dem Stufenverschlüßlerverfahren mit demselben Satz von Schaltstufen, die jeweils einem Zahlenwert zugeordnet sind.

Es ist allgemein bekannt, Digitalwerte in Analogwerte (z. B. elektrische Spannung) umzusetzen (»Elektronik«, November 1969. S. 325). Die Digitalwerte werden in einem Code mit fest bewerteten Stufen ausgedrückt, deren Wertigkeiten jeweils in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen, z. B. im binären Düalcode oder im binär codierten Dezimalcode (BCD-Cöde); marl läßt diese Stufen definierte Spannungs- bzw- Stromwer^ le schalten, die man aufaddiert. Damit kommt man zu dem gewünschten Analogwert, dessen Auflösung der Wertigkeit des kleinsten Schrilles entspricht.

Beim ersten Zuschalten der jeweils nächsthöheren Bewertungsstüfe Werden bei diesen bekannten Nt

werken alle kleineren Stufen abgeschaltet, d, h. auf 0 gesetzt. Wenn man fordert, duß die im Analogsignal auftretenden Unstetigkeiien nicht größer sein dürfen als der kleinste Digitalschriti. ·<ο muß man dafür sorgen, daß alle Beweriiingsstufen genauer als der halbe kleinste Schritt sind, der zugleich der Auflösung entspricht. |e größer die Wertigkeit der Beweriungsstufen ist, um so höher wird die geforderte Genauigkeit.

In der digitalen Meßtechnik ist eine Auflösung von beispielsweise 10 000 Teilen durchaus üblich. Dabei müssen die großen Bewertungsstufen eine Genauigkeit von mehr als 0,005% haben. Um solche Genauigkeiten zu erreichen, benötigt man außerordentlich stabile und hochgenaue Widerstände, äußerst niederohmige und

t5 konstante Schaltelemente und meist noch zusätzliche Abgleichelemente, wie Trimmpotentiometer.

Netzwerke mit einer Auflösung in der Größenordnung von 10 000 Feilen sind deshalb sehr teuer und benötigen meist noch einen hohen Zeitaufwand für ihren genauen Abgleich.

Bei zahlreichen Anwendungsfällen dieser Netzwerke werden Analogwerte in Digitalwerte umgesetzt, und nachfolgend werden die Digitalwerte wieder in Analogwerte umgesetzt, ohne daß der Digitalwert als unmittelbares Maß für die Meßgröße verv. artet wird.
Beispiele für solche Anwendungsfälle sind:
Umsetzung von Grundbrückeriverstimmungen in Digitalwerte bei Vielstellenmeßanlagen. wobei diese Digitalwer'.e gespeichert und später wieder abgerufen werden, um zum Brückenabgleich wieder in Analogwerte umgesetzt zu werden:
Speicherung von Tarierwerten;
Speicherung von Spitzenwerten;
Speicherung von Momentanwerten.

In diesen und ähnlichen Fällen wird die Digitaltechnik vorteilhaft angewendet, um die Meßgrößen mit hoher Genauigkeit und hoher Auflösung verlustfrei und für beliebig lange Zeit speichern zu körüi.'n. Dem stehen jedoch der hohe Aufwand und die hohen Kosten entgegen, die auftreten, wenn die Meßwerte mit hoher Genauigkeit und Auflösung erfaßt werden sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Netzwerk der eingangs genannten Art für Anwendungsfälle, bei welchen ein dem analogen Meßwert proportionales oder fest zugeordnetes Digitalsignal nicht benötigt wird, z. B. wenn das Digitalsignal in einer geschlossenen Schleife auftritt oder aber gespeichert und mit dem selben Netzwerk wieder rückumgesetzt wird, zu schaffen, mit dem die Meßwerte mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit verarbeitet werden können, ohr.s daß Bauelemente hoher Genauigkeit verwendet, werden müssen. Dabei sollen weder an die Toleranz der digitalen Bewertungsstufe noch an die Widerstandstoleranz der Schaltelemente höhere Anforderungen gestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wertigkeit einer großen Schaltstufe, der ein Zahlenwert Zn zugeordnet ist, kleiner als die um den Betrag dsr kleinsten Wertigkeit erhöhte Summe der Wertigkeiten derjenigen Schaltstufen ist, die zur Bildung des Vorangehenden Zahlenwertes Zn-i nach dem verwendeten Code anzuschalten sind. Dadurch erreicht man, daß bei der Zuschaltung der nächsthöheren Bewertungsstufe noch einige kleinere Stufen zusätzlich zugeschaltetet werden müssen, da diese nächsthöhere Stufe kleiner als die Summe der vorhergehenden Stufen ist. Toleranzabweichungen der größten zugeschalteten Stufe können dadurch ausgegll·

chen werden, daß mehr oder weniger kleinere Siufen zugeschaltet werden. Die Erfindung zeigt somit einen Weg, wie hohe Genauigkeiten und Auflösungen erreicht werden können, ohne daß Bauelemente höchster Genauigkeit verwendet werden müssen. Die Toleranzen der Bauelemente bleiben ohne Einfluß auf die Genauigkeit.

Ein wesentlicner Gedanke der Erfindung liegt mit anderen Worten darin: Damit jedem Analogwert ein Digitalwert zugeordnet werden kann, muß dafür ro gesorgt werden, daß die Istwerte der Bewertungsstufen immer gleich oder kleiner als ihre Sollwerte sind. In diesem Falle treten zwar auf der Digitalseite Sprünge auf, d. h-, manche Kombinationen oder Bewertungen werden übersprungen; die Analogwerte können jedoch mit hoher Auflösung und Genauigkeit stetig erfaßt werden.

Durch die Erfindung ist es möglich, mit Bauelementen, die eine Toleranz von mehreren Prozent haben, Genauigkeiten und Auflösungen von 0,01% zu errcichen. Die Kosten eines derartigen Netzwerks sinken gegenüber bisher üblichen Netzwerken auf 50 bis 30% ab.

Aus der DE-PS 11 67 069 ist zwar ein in ähnlicher Weise dimensioniertes Netzwerk bekannt; die besondere Dimensionierung dient hier jedoch !ediglich dazu, zu vermeiden, daß bei Pendelungen der Regelgröße die großen Schaltstufen dauernd zu- und abgeschaltet werden. Es handelt sich hierbei um das Zuschalten großer mechanischer Massen mit entsprechend hohem notwendigem Energieaufwand und hohem entstehendem Geräuschpegel. Eine Anregung im Sinne der erfindungsgemäßen Lehre ist dieser Veröffentlichung jedoch nicht zu entnehmen. Es war für den Fachmann vielmehr überraschend, daß man gemäß der Lehre der Erfindung verhältnismäßig große Widerstandstoleranzen in Kauf nehmen kann.

Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Wertigkeiten der Schaltstufen im Verhältnis einer Exponentialreihe stehen, deren Basiszahl zwischen 1 und 2 liegt. Um den Bauaufwand gering zu halten, ist es zweckmäßig, daß die Basiszahl nahe bei 2 liegt.

Weitere Merkmals. Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Es zeigt

F i g. 1 in vereinfachter Darstellung die Schaltung eines binären Netzwerks mit Widerstandsbewertungsstufen (Dualrode),

Fig.2 in vereinfachter Darstellung die Schaltung eines binären Netzwerkes nach dem Kettenleiterprinzip (Dualcode),

F i g. 3 die Funktionstabelle für ein erfindungsgemäß dimensioniertes Neuwerk, wobei die Wertigkeiten der Schaltstufen im Verhältnis einer Exponentialreihe mit der Basiszahl 135 stehen,

F i g. 4 in vereinfachter Darstellung die Schaltung eines binären Netzwerks ähnlich Fig. 1, wobei die Bewertung der Schältstufen auf der Basis 1,95 erfolgt,

Fig,5 in vereinfachter Darstellung ein binäres Netzwerk nach dem Kettenleiterprinzip, wobei die Bewertung auf der Basis 1,95 erfolgt.

Fig,6 den vereinfachten grundsätzlichen Aufbau von Stufenkompensatorcn oder Stufenvcrschlüßlcrn,

F i g. 7 den vereinfachtehr Aufbau einer Schattung zur Erfassung von Spitzenwerten und

F i g. 8 den vereinfachte ι Aufbau einer Schaltung zur

automatischen Tarierung.

An Hand der in Fig. 1 dargestellten bekannten Schaltung soll die Auflösung eines Ausgangsspannungsbereiches von 0 V bis Urci in mehr als 10 000 Teilen mittels eines Digital-Analog-Umsetzers dargestellt werden. Die verfügbaren Bewertungsstufen sollen jeweils eine Toleranz von ±1% haben. Um die geforderte Auflösung zu erreichen, müssen im Dualcode 14 Bewertungsstufen vorgesehen sein. Damit können Zahlen von 0 bis 16 383 ausgedrückt werden.

Wie man aus den Widerstandsangaben in Fig. 1 erkennt, ist die Wertigkeit jeder Stufe immer doppelt so groß wie die Wertigkeit der vorhergehenden Stufe. Außerdem gilt, daß die Wertigkeit einer Stufe immer so groß ist wie die Summe aller vorstehenden kleineren Stufen + 1.

Wenn beispielsweise die Wertigkeit der 14. Stufe infolge einer Toleranz von +1% um 1% zu groß ist, so entspricht bei Zuschaltung dieser Stui* der Analogwert nicht der Zahl 8192, sondefn der Zahl 8192 ■ 1,01 = 8274. Analogwerte, die den Zahlenwerten von 8192 bis 8273 entsprechen, können deshalb nicht dargestellt werden, denn durch Zuschalten aller Stufen von 1 bii 13 (die im Beispiel als fehlerfrei angenommen werden) kommt man nur bis zum Analogwert 8191; beim Zuschalten der 14. Stufe springt der Analogwert auf 8274. Der Verlauf der dargestellten Analogwerte weist daher Sprünge auf. Mit anderen Worten, es gibt analoge Ausgangswerte, für die keine digitalen Werte existieren. Dies ist jedoch unerwünscht, denn der Verlauf der analogen Werte soll — unter Berücksichtigung der gewünschten Auflösung — stetig darstellbar sein.

Die in Fig.2 dargesteilte Schaltung unterscheidet sich hinsichtlich der Bewertung der einzelnen Schaltstufen nicht von dem Beispiel nach Fig. 1; der Unterschied liegt nun darin, daß nur zwei Widerstandsgmßen verwendet werden müssen. Der Nachteil dieser Schaltung nach dem Kettenleiterprinzip besteht jedoch darin, daß die doppelte Anzahl von Widerständen im Vergleich zu der Schaltung nach F i g. 1 benötigt wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel einer gemäß der Erfindung dimensionierten Schaltung ist vorgesehen, daß sich die Wertigkeit von Schakstufe zu Schaltstufe nicht verdoppelt, sondeni um einen Faktor erhöht, der kleiner ist als die um 1 erhöhte Summe der Wertigkeiten derjenigen Schaltstufen, die zur Bildung des vorangehenden Zahlenwertes nach dem verwendeten Code anzuschalten sind. Irr· beschriebenen Beispiel verhalten sich die Wertigkeiten aufeinanderfolgender Stufen wi° die Zahlen einer Expone.itulreihc mit der Basis 1,95. Aich iiiemm abweichende Basiszahlen sind möglich, jedoch werden Basiszahlen im Bereich von 1.90 bis 1,99 bevorzugt.

F1 g. 3 zeigt die Funktionstabelle für die einzelnen Schaltstufen, wobei die Basis 1.95 zugrunde gelegt wurde. Man erkennt, daß die Wertigkeit der jeweils nächsthöheren Stute aliein immer genügend kleiner ist als die Summe der Wertigkeiten aller vorhergehenden zugeschalteten Stufen + 1.

Schaltet man die nächsthöhere Bewertungsstufe zu« so müssen außerdem noch einige kleine Stufen zusätzlich zugeschalfft Werden. Dadurch lassen sich Toleranzabweichüngcn der großen zugeschalteten Stufe ausgleichen.

Dies soll am Beispiel der Erhöhung des Analogwertes von 1629 auf 1630 erläutert werden. Zur Darstellung von 1629 sind alle Stufen von 1 bis 11 eingeschaltot Ok

Stufe 12 allein entspricht dem Analogwert 1550. Zur Darstellung des Analogwertes 1630 müssen daher die 12.. 7.. 5., 4.. 2. und i. Stufe eingeschaltet werden. Wäre die 12. Stufe aus Toieranzgründen um 5% zu groß, so wäre ihr Wert 1550 · 1,05 = 1627.5: dann würde die Zahl 1630 durch Einschalten der 12.. 2. und 1. Slufe dargestellt. Man erkennt daraus, daß selbst bei einer angenommenen Toleranz der (2. Bewcrtungsslufc von 5% kein Sprung im Verlauf der analogen Atisgangswcftc auftreten würde. Die Toleranz von 5% würde automatisch ausgeglichen. Der Verlauf der digitalen Werte darf Sprünge aufweisen, d. h.. es existieren Digitalwerte, die in diesem Umsetzer keine Verwen dung finden.

Die F-" ig. 4 und 5 zeigen Schaltungen, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau den Schallungen gemäß F i g. I und 2 entsprechen. Die verwendeten Widerstände sind JcüOCii

SO ucfnCsäcn, uiiu

gemäß der Lehre der Erfindung ergeben. [Die /u benachbarten Schaltslufcn in Fig. 4 gehörenden Widerstände stehen jeweils im Verhältnis von 1.95 zueinander. Bei dem Netzwerk nach dem Kettenleiter prinzip gemäß F ι g. 5 ist die Größe jedes parallel geschalteten Widerstandes Rp der Widerstandskeltc gleich dem 2.16fachen jedes in Reihe geschalteten Widerstandes Rr.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau von Stufenkompensaloren oder Stufenverschlüßlcrn. Der analoge Meßwert M wird über einen Nullverslärker 1 einem Analog-Digital-Umsetzer 2 zugeführt und in einen üigitalwert umgesetzt: der Digitalwert wird in eioem Digital-Analog-Umsetzer 3 in einen Analogwert (Kompensationsspannung) rückumgesetzt, der mit dem Meßwert M verglichen wird. Der Nullverslärker 1 steuert den Analog-Digital-Umsetzer so an. daß die Kompensationsspannung gleich dem analogen Meßwert Mist.

Dabei kann nach dem Slufenkompensationsverfahren oder dem Stufenverschlüßlerverfahren gearbeitet werden. Beim Stufenkompensationsverfahren läuft die Kompensationsspannung der Meßspannung nach. Beim Slufenverschlüßlerverfahren geschieht der Abgleich nach dem Iterationsverfahren, d. h., die Abgleichsstufen werden mit der größten Wertigkeit beginnend nacheinander angeschaltet und verglichen.

Bei der Schaltung zur Erfassung von Spitzenwerten gemäß Fig. 7 wird die auf der Analogseite aus dem analogen Meßwert Mund der Kompensalionsspannung Ukomp gebildete Differenzspannung Uan dem Nullverstärker 1 zugeffhrt. der sie verstärkt. Der Analog-Digital-Umsetzer 2 besteht hierbei aus einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4, der die vom Nullverstärker 1 erhaltene Spannung in eine Proportionale Pulsfrequenz umsetzt und einem nachgeschalteten Vorwärtszähler 5 zuführt.

Solange an dem nachgeschalteten Vorwärtszähler 5 der Befehl »Speichern« anliegt,schalten die impulse den Vorwärlszühlef 5 weiter. Die Kompcnsaiionsspahnung ϋκηηιρ folgt der Mcßspannuhg, jedoch rilit umgekehrtem Vorzeichen. Wird der analoge Meßweri nach einem positiven Maxintüm wieder kleiner, so wird die Differenzspannung iliui negativ. *r Spannuhgs-Frcqucn/.-Umsctzer 4 gibt keine Impulse mehr ub. und der Vorwärtszählcr 5 bleibt auf dem Wen des Maximums' stehen. Die durch einen Inverter 6 umgekehrte

iö Kompensaliorisspannunfi isi ein MaQ für den Spitzen wert. Der Digital-Analog-Umsetzer 5 enthält ein Äbglcichnct/werk 7. dem eine Bezugsspannung //»■■» zugeführt wird.

Wenn man an Stelle des Vorwärtszählcrs 5 einen Rückwärls/ähler cinsei/t und den Spanniings Ire qucn/-Umsetzer 4 auf negative Spannungen ansprechen läßt, kann man Minima b/w. negative Maxima erfassen

Be/ugs/iffern bezeichnet sind, zeigt ein abgewandeltes Schallungsnet7werk zur automatischen Tarierung. Dabei wird in dem Analog-Digital-Umsetzer 2 ein Vorwärts-Rückwärts/.ahlcr 8 verwende! und ein Spannungsf'requcnz-Umsetzer 4. der sowohl bei positiver als auch bei negativer Eingangsspannung Impulse abgibt. Die Polarität der Ausgangsspannung des Nullverstärkers 1 gibt die Zählrichtung an. Beim Bcfei !»Tarieren« gleich! die Schallung ab: I Jnn und die aus einem nachgcordnelen Puffer 9 erhaltene Analogspannung Uii werden zu Null: die aus dem Inverter 6 erhaltene Spannung Uli zeigt den Tarierwert an. Wird der Abgleich jetzt wieder gestoppt, so kann man bei Uii die Nettowerte erfassen, wenn sich der analoge Eingangsmeßwert M, der das Bruttogewicht darstellt, ändert. Der Befehl »Löschen« bewirkt, daß Ua2, d. h. der Taraspeicher, auf Null gesetzt wird.

In ähnlicher Weise ist eine Schaltung zur Erfassung von Momentanwerien aufgebaut. Dabei ist U12 der Momentanwert, der erfaßt wird, wenn der in F i g. 8 mit »Tarieren« bezeichnete Befehl gegeben wird. Die Ausgangsspannung ai wird hierbei nicht benötigt.

Allen dargestellten Schaltunesanordnuneen ist gemeinsam, daß Analogwerle in Digitalwerte umgesetzt werden, daß die Digitalwerte jedoch nicht unmittelbar verwendet werden, sondern erst nach Rückumuandlung in Analogwerte. Deshalb ist es auch nicht notwendig, daß die Digitalwerte in einem linearen Zusammenhang mit den Analogwerten stehen.

Dennoch gibt es Anwendungsfälle, bei denen man die Digitalwerte entnehmen und sie zu einem späteren Zeitpunkt dem Digital-Analog-Umsetzer wieder eingeben möchte. Beispiele hierfür sind:

Speicherung der Nullabgleichsinformation einer Vielzahl von Meßstellen in Meßstellen-Umschahanlagen und spätere Wiedereingabe dieser Werte; Rezeptspeicherung bei Wägevorgängen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Netzwerk für die Umsetzung eines oder mehrerer analoger Werte in digitale Werte und Rückumsetzung dieser digitalen Werte in analoge Werte nach dem Stufenkompensationsverfahren oder dem Stufenverschlüßlerverfahren mit demselben Satz von Schaltstufen, die jeweils einem Zahlenwert zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wertigkeit einer großen Schaltstufe, der ein Zahlenwert Zn zugeordnet ist, kleiner als die um den Betrag der kleinsten Wertigkeit erhöhte Summe der Wertigkeiten derjenigen Schaltstufen ist, die zur Bildung des vorangehenden Zahlenwertes Z_n-I nach dem verwendeten Code anzuschalten sind.

2. Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wertigkeiten der Schalisiufen im Verhältnis einer Exponentiaireihe stehen, deren Basiszahl zwischen 1 und 2 liegt.

3. Netzwerk nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszah! nahe bei 2 liegt.

4. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1,2 oder J. dadurch gekennzeichnet, daß >~ei einem an sich bekannten, nach dem Kompensationsverfahren arbeitenden Analog-Digital-Umsetzer (I₁ 2, 3) die Kompensationsspannung (Uk,-m_P)herausgeführt ist.

5. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1.2 oder 3. dadurch geke nzeichnet. daß bei einem an sich bekannten, nach dem Komf^nsationsverfahren arbeitenden Analog-Digital-Umsetzer (1, 2, 3) die Differenz aus Meßspannung (M) und Kompensationsspannung (Uiomp)herausgeführt ist.

6. Netzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer (1. 2, 3) ■nur bei einer vorgegebenen Polarität der Differenz aus Kompensationsspannung (Uknmp) und Meßspannung f/tylarbeitet.

7. Netzwerk nach den Ansprüchen 4 und 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer (I₁ 2, 3) nur jeweils während einer vorgegebenen Zeitspanne arbeitet.