DE2352049A1

DE2352049A1 - Anordnung zur selbsttaetigen nullpunktkorrektur von analog-digital-umsetzern

Info

Publication number: DE2352049A1
Application number: DE19732352049
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Franck
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1973-10-17
Filing date: 1973-10-17
Publication date: 1975-04-30
Also published as: DE2352049C3; DE2352049B2

Description

Hartmann & Braun 6 Frankfurt a/H, den 15 d O „1973

Aktiengesellschaft Grafstraße 97

Anordnung zur selbsttätigen Nullpunkt-Korrektur von Analog-Digital-UHisetzern

Die Erfindung besieht sich auf eine Anordnung zur selbsttätigen Nullpunkt-Korrektur iron Analog-Digital-Umsetzern^ bei denen ein Komparator ein analoges Eingangssignal mit einem Referenz= signal vergleicht _a wobei vom Beginn des ¥ergleiches an bis zum Zeitpunkt der Gleichheit beider Signale Impulse in einem Zähler ausgezählt Zierden und bei.der periodisch Nullsignal auf den Umsetzer gegeben wird«

Es sind Analog-Digital-Umsetzer bekannt* die zur digitalen Darstellung eines Analogsignales Impulszählverfahren anwenden» Ein Nachteil dieser Impulszählverfahren besteht darin,, daß die Genauigkeit der digitalen Anzeige durch die Verstärkungseigenschaften und die Nullpunktverschiebung des spannungsgesteuerten Oszillators oder eines anderen Umsetzers begrenzt ist_s der die Analogsignale in Zeitintervalle umsetzte Da hohe Genauigkeit von diesen Systemen gefordert wird* ist es notwendige Eichsigaale zusammen mit den digital darzustellenden Größen gu liefern wiä diese in speziellen Operationen miteinander zu vergleichen,, Diese Forderung hat die Verwendung solcher Analog-Digital^Ußisetzer beschränkt^, da die Verwendung eines Eichfaktors oft unbequem und aufwendig ist«,

In der DT-OS 2₀2ο1₀4^·ο wird eine Schaltungsanordnimg für die auto= statische Driftkorrektur von Analog-Digital-Umsetzern beschrieben^ die die nachteiligen Drifteffekte der in-einem Umsetzer enthaltenen Gleichspannungsverstärker unterdrückte Die Anordnung besteht @iüi

=> 2 —

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einem Speieherkondensator, der arn nicht invertierenden Eingang des Gleichspannungsverstärkers angeschlossen ist. Ferner ist ein Zusatzschalter und Steuermittel vorgesehen, die bei Anliegen des Ruhesignales den Kondensator mit dem Verstärkerausgang verbindet,, so. daB sich der Kondensator auf die Driftspannung in gewünschter Weise auflädt„ Bei Anliegen des Arbeitssignales öffnet öer Zusatzschalter, der Kondensator bleibt jedoch mit dem Verstärkereingang verbunden. Die am Kondensator anstehende Spannung wird dem Arbeitssignal als Korrektursignal so zugeschaltet, daS eine Driftkorrektur erfolgt. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß sie die Nullpunktfehler derjenigen Baustufen nicht erfassen kann, die dem Gleichstromverstärker nachgeschaltet sind, deren Eigenschaften sieh aber auch auf die Genauigkeit des Umsetzers auswirken^ so können beispielsweise Nullpunkt fehl er- auftreten, wenn der Schwellwert des Eompar-ators, der die Gleichheit des Eingangssignales mit dem Referenzsignal festzuhalten hat_a vom Sollwert abweicht.

Der Erfindung" liegt die Aufgabe zugrunde,, eine Anordnung zur Korrektur der Nullpunktdrift von Analog-Digital-Umsetzern anzugeben, die die Nullpunktfehler sämtlicher Baugruppen des Umsetzers erfaßt»

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Digitalspeicher vorgesehen ist, der den vom Zähler ermittelten Zählwert speichert, der dem Signal entspricht, das bei anliegendem liiillsignal im Umsetzer die Nullpunkt abwei ehung verursacht und ein ■won Mull ab«©!eilende® Zählergebnis erzeugt, und. daß zur Korrektur der- MiillpiKiktateiSiehiaig bei dsj? Ums©tsung des analogen Eingangs- -sigaaieg eier im Digitalspeicher enthaltene Zäfalwer-t in den Zähler üb&paoieisn wiiM und den Zählerstand des Zählers im Sinne eines iuisgleiohs der ermittelten Abweichung korrigiert,,

.'Sire ÄuaflöiriiEgsbeispiel eines mit der erfiiidirngsgemäßen Anordnung TSv=SekisZimi Iaalog-DigitaI=Uaisetseps vJlrd anband der Zeiolmung iiSllisi/ srläutsrtc 2s zeigen

P Π Ci C, <j6/ ρ f ^rr: jö)

aüdö 1 ο / w Φ y ¹J

~ 3 —

Pig ο 1 das Blockschaltbild eines nach dem$fer£ahr©s. der Auf/Ab-Integration arbeitenden Analog-Digital-Umsetzers mit der erfindungsgemäßen Nullpunkt-Korrekturanordnung und

Figo 2 das Diagramm des zeitlichen Verlaufes der Integratarausgangsspannung im Vergleich mit dem jeweiligen Zählstand des Zählers_o

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Der in der Figur 1 dargestellte integrierende Analog-Digital- Umsetzer besteht aus einem Integrator 1 und einem Komparator sowie aus dem Digitalteil mit einem Impulsgeber lo, einem vorwärts-/rückwärts-zählenden Zähler 4, einer Ablaufsteuerung und einer Anzeigeeinheit 5. Die Ablaufsteuerung 3 erzeugt die notwendigen Steuersignale, um die einzelnen Punktionsgruppen des Umsetzers im richtigen Augenblick zu steuern.

Am Eingang des Integrators 1 liegt ein von der Ablaufsteuerung betätigter (Halbleiter-)Schalter S₂. Der Schalter S₂ legt abwechselnd eine unbekannte Eingangsspannung U und eine Bezugsspannung U_ß an den Integrator. Gemäß der Erfindung besitzt der Analog-Digital-Umsetzer nach Figur 1 einen Digitalspeicher sowie einen (Halbleiter-)Schalter S₁, der die Eingangsklemme des Umsetzers mit dem Nullpunkt, es ist der Massepunkt 9* verbindet. Der Zähler 4 besitzt drei Steuereingänge 11, 12, 13, einen Steuerausgang 14 und zwei Datenausgänge 15 und 16, die folgende Funktionen haben:

Über den Steuereingang 11 gelangen Zählimpulse vom Impulsgeber an den Zähler 4.

An den Steuereingang 12 wird ein Signal V/R gelegt, wenn die Zählrichtung des Zählers geändert werden soll. Das Steuersignal V/R liefert die Ablaufsteuerung 3.

An den Steuereingang 13 gelangt ein von der Ablaufsteuerung 3 abgegebenes Übertragsignal Ü, wenn der Zählerstand des Zählers in den Digitalspeicher 6 zu übertragen ist.

Am Steuerausgang 14 erscheint ein Signal Z, wenn ein voller Zählerdurchlauf erreicht ist.

über die Datenausgänge 15 und 16 wird der Zählerstand in die Anzeigeeinheit 5 bzw. in den Digitalspeicher 6 übertragen.

Die Daten des Digitalspeichers 6 gelangen von diesem wieder in den Zähler, wenn die Ablaufsteuerung 3 ein Signal D an den Steuereingang 17 des Digitalspeichers 6 abgibt.

Bei dem nach dem Verfahren der Auf/Ab-Integration arbeitenden Umsetzer nach Figur 1 werden die unbekannte Analogspannung U_v

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und eine bekannte Bezugsspannung U_ß entgegengesetzter Polarität abwechselnd über den Umschalter S₂ an den Eingang des Integrators gelegt. Um sowohl positive als auch negative Spannungen verarbeiten zu können, wird zur Analogspannung U eine vorgegebene konstante Vorspannung U_y zugeschaltet, die den Nullpunkt des Integrators in die Mitte seines Aussteuerbereiches verschiebt. Hierdurch wird die Umschaltung des.Integratoreinganges zwischen Analogspannung und positiver bzw. negativer Bezugsspannung vermieden.

Es sei angenommen, daß der Vor/Rückwärtszähler k aus vier Zähldekaden besteht und die Vollzählung 10.000 beträgt. Der Impulsgeber Io liefert ständig Zählimpulse an den Zähler. Durch Umschaltung der Zählrichtung wird erreicht, daß der Zählerstand direkt und vorzeichenrichtig dem Digitalwert der Meßgröße entspricht. Bei Eintreffen eines Komparatorsignals K wird der augenblickliche Zählerstand in den Anzeiger-Speicher 5 gespeichert und angezeigt.

Steht der Zähler auf 0000, es sei der Zeitpunkt T , dann entsteht an seinem Steuerausgang 14 ein Überlaufsignal Z, welches die Ablaufsteuerung 5 veranlaßt, den Schalter S₂ so zu betätigen, daß die analoge Spannung U auf den Integratoreingang geschaltet

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ist. Zugleich liegt die zur Nullpunktverschiebung dienende Spannung U an. Der Schalter S₁ ist geöffnet. Beide Spannungen U und U werden im Integrator während einer Zeitspanne T ...T, aufintegriert, deren Dauer durch Auszählung von Taktimpulsen im Zähler 4 bestimmt ist. Der Zähler zählt während der AufIntegrationszeit in Vorwärtsrichtung eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen ab. Es sei angenommen, daß diese einem vollen Zählerdurchlauf, also 10.000 Impulse, entspricht. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Schalter Sg betätigt, so daß nunmehr die Bezugsspannung U_Bez am Eingang des Integrators liegt« Zur gleichen Zeit liefert die Ablaufsteuerung 3 an den Steuereingang 12 des Zählers 4 ein Signal, das den Zähler auf Rückwärtszählung umschaltet. Die Ausgangsspannung des Integrators geht jetzt in den negativen Rücklauf, die Äbintegration über. Der Zähler zählt rückwärts von 10.000 bis 0000 und überstreicht dabei die zur

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positiven Eingangsspannung gehörenden Digitalwerte. Beim Zählerstand 0000 wird der Zähler wieder auf Vorwärtsrichtung geschaltet. Er läuft nun von 0000 ab wieder vorwärts und überstreicht dabei den Bereich der negativen Eingangsspannungen. Die Bezugsspannung ^UBez k^rinS^fc während der zweiten Zeitspanne T₁ bis T₂ die Ausgangsspannung u des Integrators wieder auf den Wert zurück, den sie zu Beginn der ersten Zeitspanne, also zum Zeitpunkt T , einnahm. Der Komparator 2 vergleicht die Ausgangsspannung u des Integrators mit einem Referenzwert U_Ref, der der Ausgangsspannung des Integrators zum Zeitpunkt T_Q entspricht. Sobald die Äusgangsspannung des Integrators diesen Wert erreicht, gibt der Komparator zum Zeitpunkt T₂ ein Signal K an die Ablaufsteuerung 3 ab. Sie bewirkt, daß einmal die Integration der Bezugsspannung beendet wird und zum andern der Zählerstand zum Zeitpunkt T₂ in die Anzeigeeinheit 15 übernommen und zur Anzeige gebracht wird. Der erreichte Zählerstand ist ein digitales Maß für die analoge Eingangsgröße.

Zur Nullpunktkorrektur des gesamten Umsetzers wird gemäß der Erfindung vor Beginn einer Messung an den Eingang des Integrators 1 die Spannung Null gelegt, die im Ausführungsbeispiel dem Massepotential des Punktes 9 entspricht. Der Vorgang der Nullpunk tkorrektur läuft zeitlich genauso ab wie ein Meßvorgang. Zur Veranschaulichung wird hierzu das Diagramm nach Figur 2 herangezogen. Es zeigt den zeitlichen Verlauf der Integratorausgangsspannung u und dazu auf der unteren Skala den Jeweiligen Zählerstand.

Zum Zeitpunkt T beim Zählerstand 0000 schließt die Ablaufsteuerung den Schalter S₁ und legt gleichzeitig den Schalter S₂ an die Eingangsklemme 8. Der Eingang ist kurzgeschlossen. Der Integrator beginnt mit der Aufintegration und integriert für die Dauer eines Zählerdurchlaufes nur die Vorspannung U . Sind zum Zeitpunkt T-, 10.000·Taktimpulse abgezählt, erscheint am Steuerausgang I^ des Zählers das Signal Z, welches das Ende der Aufintegration signalisiert. Danach legt die Ablaufsteuerung den Schalter S₂ an die Klemme 7· Der Schalter S₁ kann nach der Aufintegration geöffnet werden; er kann aber auch bis zu Beginn der nächsten Messung

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von U geschlossen bleiben.

Vom Zeitpunkt T-, an wird die Bezugsspannung U-r, abintegriert, während der Zähler von der Stellung 0000 beginnend jetzt weiter in Vorwärtsrichtung zählt. Sobald der Komparator die Gleichheit der Ausgangsspannung u des Integrators mit der Referenzspannung ^URef f^stst⁶¹¹^ ^{es ist} wieder zum Zeitpunkt Tp, gelangt ein Steuersignal K an die Ablaufsteuerung 3. Diese gibt sodann ein Übernahme signal Ü an den Steuereingang 1J5 des Zählers, wodurch sein Zählerstand über.den Datenausgang 16 in den Digitalspeicher 6 gelangt. Der· Vorgang der Ermittlung der Nullpunktabweichung ist damit beendet. Die Korrektur des Nullpunktes erfolgt unmittelbar im Anschluß an die darauf folgende Messung der Analogspannung U , indem der Inhalt des Digitalspeichers 6 vor Beginn der Abintegration der Bezugsspannung Ug_e2 in den Zähler 4 zurückübertragen und je nach Vorzeichen der ermittelten Nullpunktabweichung zum momentanen Zählerstand addiert bzw. subtrahiert wird. Die Rückübertragung wird durch ein von der Ablaufsteuerung erzeugtes Signal D eingeleitet, die an den Steuereingang 17 des Speichers 6 gegeben wird.

Die Vorspannung U wurde - wie bereits gesagt - so gewählt, daß sie den Nullpunkt in die Meßbereichsmitte des Umsetzers legt. Das bedeutet also, daß bei der Eingangsspannung ϋ_χ = 0 (Nullspannung) die KomparatorIndikation (K-Signal) erfolgt, wenn der Zähler während der Abintegrationszeit gerade den Zählerstand 0000 erreicht. Kommt das Komparatorsignal K früher, zum Beispiel beim Zählerstand 9980, so ist die.angelegte Spannung um 20 digitale Einheiten kleiner als die Nullspannung. Ist die Spannung jedoch gleich der Nullspannung_s so zeigt der Umsetzer einen Nullpunktfehler von -2o digitale Einheiten an. Diesen Fall zeigt die Kurve 18 in Figur 2_O Das ermittelte Zählergebnis von 9980 digitalen Einheiten wird nun bei der Nullmessung statt auf die Anzeigeeinheit in den Digitalspeicher 6 gegeben.

Der Inhalt des Digitalspeichers kann mit einem Impuls D in den Zähler übertragen werden. Dieser Impuls wird, wie beschrieben,

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bei der U -Messung mit Beginn der Abintegration gegeben; er

■rv.

setzt also den Zähler mit dem Komplement der Nullpunktabweichung vor, sodaß der Zähler, der während der Abintegration rückwärts zählt, zu Beginn der Abintegration um den ermittelten Nullpunktfehler von -20 digitalen Einheiten vorgestellt wird.

Die Kurve 19 in Figur 2 zeigt den zweiten möglichen Fall einer Nullpunktabweichung, bei der die Nullpunktabweichung des Umsetzers so geartet ist, daß erst bei einem Zählerstand über 10.000, zum Beispiel bei 10.030, das Komparatorsignal K auftritt. Da der Zähler während der Nullmessung weiter vorwärts zählt, ist der Zählerstand 30 digitale Einheiten. Der Umsetzer weist also eine Nullpunktabweichung von + 30 digitalen Einheiten auf. Auch dieses Zählergebnis von 30 digitalen Einheiten wird zum Zeitpunkt der Komparator Indikation in den Digitalspeicher 6 übernommen. Beijder folgenden U -Messung wird der Zähler mit Beginn der Abintegration auf 30 digitale Einheiten vorgesetzt. Bei der U -Messung zählt der Zähler mit Beginn der Abintegration rückwärts von 10.000 beginnend bis zur Zählrichtungsänderung bei 0000. Wird der Zähler zur Nullpunktkorrektur auf 30 Einheiten vorgesetzt, so erscheint bereits nach 30 Zählschritten ein Pseudo-Übertrag Z, der Jedoch von der Ablaufsteuerung unterdrückt wird. Damit gelingt es, auch bei positiver Nullpunktabweichung den Zähler bis zur Zählrichtungsänderung bei 0000 10.030 Impulse zählen zu lassen. Da der Zähler um 30 digitale Einheiten früher angefangen hat zu zählen, erfolgt die Komparatorindikation K jetzt genau beim Zählerstand 0000, also 30 Zählschritte früher.

Der Gedanke, sich bei der Ermittlung der Nullpunktabweichung der gesamten Einrichtung des Umsetzers zu bedienen und den ermittelten Wert der Abweichung in digitaler Form auszuwerten, hat gegenüber bekannten Methoden den Vorteil, daß die einzelnen Fehler samt Scher am Umsetzungsvorgang beteiligter Funktionsgruppen des Analogteiles eliminiert werden können. Die Genauigkeit der Fehlerermittlung hängt letztlich nur von den gewählten Spannungen ab und von der digitalen Unsicherheit - 1 digitale Einheit. Läßt man den Zähler während der Ermittlung der Nullpunktabweichung nur in Vorwärtsrichtung zählen, dann kann das ermittelte Zählergebnis

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ohne Komplementbildung in den Digitalspeicher übernommen werden. Der Digitalspeicher braucht selbst nur die Kapazität entsprechend der maximal vorkommenden NuIIpunktabweichung zu besitzen.

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Claims

Patentansprüche t

U.J Anordnung zur selbsttätigen Nullpunkt-Korrektur von Analog-Digital-Umsetzern, bei denen ein Komparator ein analoges Eingangssignal mit einem Referenzsignal vergleicht, wobei vom Beginn des Vergleiches an bis zum Zeitpunkt der Gleichheit beider Signale Impulse in einem Zähler ausgezählt werden und bei der periodisch Nullsignal auf den Umsetzer gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Digitalspeicher (6) vorgesehen ist, der den vom Zähler (4) ermittelten Zählwert speichert, der dem Signal entspricht, das bei anliegendem Nullsignal im Umsetzer die Nullpunktabweichung verursacht und ein von Null abweichendes Zählergebnis erzeugt, und daß zur Korrektur der Nullpunktabweichung bei der Umsetzung des analogen Eingangssignales der im Digitalspeicher (6) enthaltene Zählwert in den Zähler (4) übernommen wird und den Zählerstand im Sinne eines Ausgleichs der ermittelten Abweichung korrigiert.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur des Nullpunktes der Eingang des Umsetzers kurzgeschlossen wird (S₁), daß ein Vor/Rückwärtszähler (4) benutzt wird und daß der bei der Komparatorindikation (K) vorhandene Zählwert des Zählers in den Digitalspeicher (6) übernommen und zur Korrektur der Nullpunktabweichung herangezogen wird.
J. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ermittlung der Nullpunktabweichung der Zähler (4) in Vorwärtsriohtung zählt.
4. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, unter Verwendung eines Umsetzers mit einem Integrator, der das umzusetzende Analogsignal zur Bildung eines Zeitintegralwertes über eine bestimmte Zeit aufintegriert und der den erreichten Zeitintegralwert durch Integration eines Bezugssignales wieder bis auf den Anfangswert abintegriert, währenddessen der dem Integrator nachgeschaltete Komparator die Ausgabe des mit konstanter Frequenz betriebenen dauernd laufenden Zählers steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der im Digitalspeicher (6) abgespeicherte Zählwert zu Beginn der Abintegration in den Zähler (4) übernommen wird.

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