DE2352049C3 - Anordnung zur selbsttätigen Nullpunkt-Korrektur von Analog-Digital-Umsetzern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur selbsttätigen Nullpunkt-Korrektur eines Analog-Digitai-Uniset/.crs, der einen Komparator zum Vergleich eines analogen Eingangssignal mit einem Referenzsignal aufweist und wahrend des Vergleiches Impulse in einen Vor-Rückwärtszähler zählt, bei der periodisch Nullsignal auf den Eingang des Umsetzers gegeben wird und gleichzeitig Impulse in den Vor-Rückwärtszähler eingezählt werden, deren Zählwert der Nullpunktabweichung entspricht.

In der DT-OS 22 01 440 ist eine Schaltungsanordnung für die automatische Driftkorrektur von Analog-Digital-Umsetzern beschrieben, die die nachteiligen Drifteffekte der in einem Umsetzer enthaltenen Gleichspannungsverstärker unterdrückt. Die Anordnung besteht aus einem Speicherkondensator, der am nichtinvertierenden Eingang des Gieichspannungsverstärkers angeschlossen ist. Ferner ist ein Zusatzschalter vorgesehen, der bei anliegendem Ruhes'gnal den Kondensator mit dem Verstärkerausgang verbindet, so daß sich der Kondensator auf die Driftspannung in gewünschter Weise auflädt. Bei anliegendem Arbeitssignal öffnet der Schalter, der Kondensator bleibt jedoch mit dem Verstärkereingang verbunden Die am Kondensator entstehende Spannung wird dem Arbeitssignal als Korrektursignal so zugeschaltet, daß eine Driftkorrektur erfolgt. Diese Anordnung kann jedoch die Nullpunktfehler derjenigen Baustufen nicht erfassen, die dem Gleichstromverstärker nachgeschaltet sind, deren Eigenschaften sich aber auch auf die Genauigkeit des Umsetzers auswirken.

Aus der US-PS 34 45 839 ist eine Schaltungsanordnung zur selbsttätigen Drifikorrektur für einen Analog-Digital-Umsetzer beschrieben, bei der nach jedem Meßzyklus der Eingang des Umsetzers auf Nullpotential gelegl und ein der Driftspannung entsprechender Digitalwert ermittelt wird. Die Korrektur erfolgt in der ίο Weise, daß zunächst der mit der Drift behaftete Analogwert umgesetzt wird durch Auszählen von Impulsen in einen Vor-Rückwärtszähler. Anschließend wird das Analogsignal vom Umsetzer getrennt und die Nullpunktabweichung ermittelt, deren entsprechender ■ 5 Zählwert sofort zu dem im Zähler bereits enthaltenen Zählwert addiert bzw. subtrahiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Korrektur der Nullpunktdrift von Analog-Digital-Umsetzern anzugeben, die auch für solche Umsetzer anwendbar ist, die mit einem dauernd laufenden Zähler arbeiten. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch I gekennzeichneten Merkmale gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel eines mit der erfindungsgemäßen Anordnung versehenen Analog-Digiial-Umsetzers wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschallbild eines nach dem Verfahren der Auf/Ab-Iniegration arbeitenden Analog-Digital-Umsetzers mit der erfindungsgemäßen Nullpunkt-Korrekturanordnung und

Fig. 2 das Diagramm des zeitlichen Verlaufes der Integratorausgangsspannung im Vergleich mit dem Zählstandeines Vor-Rückwärtszählers.

Der in der Fig. 1 dargestellte integrierende Analog-Digital-Umsetzer besteht aus einem Integrator I und einem Komparator 2 sowie aus dem Digitalteil mit einem Impulsgeber 10, einem vorwärts-Mickwärts-zäh- !enden Zähler 4, einer Ablaufsteuerung 3 und einer Anzeigeeinheit 5. Die Ablaufsteuerung 3 erzeugt die notwendigen Steuersignale, um die einzelnen Funktionsgruppen des Umsetzers im richtigen Augenblick zu steuern.

Am Eingang des Integrators I liegt ein von der Ablaufsteuerung 3 betätigter (llalbleiter-)Schalter S₂. Der Schalter 5> legt abwechselnd eine unbekannte Eingangsspannung t/, und eine Bezugsspannung t/«,.,, an den Integrator. Gemäß der Erfindung besitzt der Analog-Digital-Umsetzer nach Fig. I einen Digitalspeicher 6 sowie einen (Halbleiter-)Sehalter Si, der die Eingangsklemme 8 des Umsetzers mit dem Nullpunkt, es ist der Massepunkt 9, verbindet. Der Zähler 4 besitzt drei Steuereingänge II, 12, 13, einen .Steuerausgang 14 und zwei Datenausgänge 15 und 16, die folgende Funktionen haben:

Über den Steuereingang 11 gelangen Zählimpulse vom Impulsgeber 10 an den Zähler 4.

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

An den Steuereingang 13 gelangt ein von der Ablaufsteuerung 3 abgegebenes Übertragsignal II, wenn der Zählerstand des Zählers 4 in den Digitalspci-^ή5 eher 6 /u übertragen ist.

Am Steuerausgang 14 erscheint ein Signal Z, wenn ein voller /ahlerdurchlauf 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 A JVAb-Integration arbeitenden Umsetzer nach Fig. 1 werden die unbekannte Analogspannung U_x und eine bekannte Bezugsspannung i/_Btv entgegengesetzter Polarität abwechselnd über den Umschalter S₂ an den Eingang des Integrators I gelegt. Um sowohl positive als auch negative Spannungen verarbeiten zu können, wird zur Analogspannung U_x eine vorgegebene konstante Vorspannung Uy 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 4 aus vier Zähldekaden besteht und die Vollzählung 10 000 beträgt. Der Impulsgeber 10 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 augenblicloii-he Zählerstand in den Anzeiger-Speicher 5 gespeichert und angezeigt.

Steht der Zähler auf 0000, es sei der Zeitpunkt T₀, dann entsteht an seinem Steuerausgang 14 ein Überlaufsignal Z, welches die Ablaufsteuerung 3 veranlaßt, den Schalter Si so zu betätigen, daß die analoge Spannung U_x auf den Integratoreingang geschaltet ist. Zugleich liegt die zur Nullpunktverschiebung dienende Spannung ίΛ an. Der Schalter S₁ ist geöffnet. Beide Spannungen U_x und U₁ werden im Integrator während einer Zeitspanne To ... T\ aufintegriert, deren Dauer durch Auszählung von Taktimpulsen im Zähler 4 hcstimmt 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 52 betätigt, so daß nunmehr die Bezugsspannung i/s.vam Eingang des Integrators !i^gt. Zur gleichen Zeit liefert die Ablaufsteuerung 3 an den Steuereingang 12 des Zählers 4 ein Signal, das den Zähler auf Rückwärtszählung umschaltet. Die Ausgangsspannung -;ies Integrators geht jetzt in den negativen Rücklauf, die Abintegration über. Der Zähler zählt rückwärts von !0 000 bis 0000 und überstreicht dabei die zur 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 LJbc/ bringt während der zweiten Zeitspanne Ti bis Tj die Ausgangsspannung u des Integrators wieder auf den Wert zurück, den sie zu Beginn der ersten Zeitspanne, also zum Zeitpunkt To, einnahm. Der Komparator 2 vergleicht die Ausgangsspantiung 11 des Integrators mit einem Referenzwert Ur₁-I, der der Ausgangsspannung des Integrators zum Zeitpunkt T₀ entspricht. Sobald die Ausgangsspannung des Integrators diesen Weit erreicht, gibt der Komparator zum Zeitpunkt Ti ein Signal K an die Ablaufsteuerung 3 ab. Sit bewirkt, daß einmal die Integration der Bezugsspannung beendet wird und zum andern der Zählerstand zum Zeitpunkt Tj 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 Nullpunktkorrektur läuft zeitlich genauso ab wie ein Meßvorgang.

Zur Veranschaulichung wird hierzu das Diagramm nach Fig. 2 herangezogen. Es zeigt den zeillichen Verlauf der Integratorausgangsspannung u und dazu auf der unteren Skala den jeweiligen Zählerstand.

Zum Zeitpunkt To beim Zählerstand 0000 schließt die

'5 Ablaufsteuerung den Schalter S\ 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_x. Sind zum Zeitpunkt T) 10 000 Taktimpulse abgezählt, erscheint am Steuerausgang 14 des Zählers das Signal Z, welches das Ende der Aufintegration signalisiert. Danach legt die Ablaufsteuerung den Schalter S₂ an die Klemme 7. Der Schalter Si kann nach der Aufintegration geöffnet

²S werden; er kann aber auch bis zu Beginn der nächsten Messung voi U_x geschlossen bleiben.

Vom Zeitpunkt T\ an wird die Bezugsspannung Un₁., ibintegriert, 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 Refeienzspannung Urci feststellt, es ist wieder zum Zeitpunkt Tj, gelangt ein Steuersignal K an die Ablaufsteuerung 3. Diese gibt sodann ein Übernahmesignal Ü an den Steuereingang H 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 ίΛ, indem der Inhalt des Digitalspeichers 6 vor Beginn der Abintegration der Bezugsspannung Ußa 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 Deingeleitet, 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 /7, = 0(Nullspannung)die Komparatorindikation (/^-Signal) erfolgt, wenn der Zähler während der Abintegrationszeit gerade den Zählerstand 0000 erreicht. Kommt das Komparatorsignal K früher, z. B. beim Zählerstand 9980, so ist die angelegte Spannung um 20 digitale Einheiten kleiner als die Nullspannung. Ist die Spannung jedoch gleich der Nullspannung, so zeigt der Umsetzer einen Nullpunkt-

'"> fehler von -20 digitale Einheiten an. Diesen Fall zeigt die Kurve 18 in F i g. 2. Das ermittelte Zählergebnis von 9980 digitalen Einheiten wird nun bei der Nullmessung stati auf die Anzeigeeinheit in den Digitalspeicher 6 gegeben.

''5 Der Inhalt des Digitalspeichers kann mit einem Impuls D in den Zähler übertragen werden. Dieser Impuls wird, wie beschrieben, bei der ίΛ-Messung mit Beginn der Abintegration gegeben; er setzt also den

Zähler mit dem Komplement der Nullpunktabweichung vor, so daß der Zähler, der während der Abintegration rückwärts zählt, zu Beginn der Abintegration um den ermittelten Nullpunklfchlcr von -20 digitalen [Einheiten vorgestellt wird.

Die Kurve 19 in I'ig. 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, z.B. 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 Komparatorindikation in den Digitalspeicher 6 übernommen. Bei der folgenden tA-Messung wird der Zähler mit Beginn der Abintegration auf 30 digitale Einheiten vorgesetzt. Bei der ίΛ-Messung zählt der Zähler mit Beginn der Abintegration rückwärts von 10 000 beginnend bis zur Zählrichtungsänderung bei 0000. Wird der Zähler zur Nullpunktkorrcktur auf 30 Einheiten vorgesetzt, so erscheint bereits nach 30 Zählschritten ein PseudoÜbertrag Z, der jedoch von der Ablaufsteuerung unterdrückt wird. Damit gelingt es. auch bei positive Nullpunktabweichung den Zähler bis zur Zählrichlungs änderung bei 0000 10 030 Impulse zählen zu lassen. D; der Zähler um 30 digitale Einheiten früher angcfangei hat zu zählen, erfolgt die Komparalorindikalion /C jet/ genau beim Zählerstand 0000. also 30 Zählschrittc früher.

Der Gedanke, sich bei der Ermittlung der Nullpunkt übwcichiiii)! der gesamten Einrichtung des Umsetzer:

_[o zu bedienen und den ermittelten Wert der Abweichung in digitaler form auszuwerten, hat gegenüber bekann ten Methoden den Vorteil, daß die einzelnen Fehler sämtlicher am Umsetziingsvorgang beteiligter Tunk lionsgruppen des Analogteiles eliminiert werden kön nen. Die Genauigkeit der Fehlerermittlung hängi letztlich nur von den gewählten Spannungen ab und vor der digitalen Unsicherheit ± 1 digitale Einheit. Läßt mar den Zähler während der Ermittlung der Nullpunktab weichung nur in Vorwärtsrichtung zählen, dann kanr das ermittelte Zählergcbnis ohne Komplcmentbildung in den Digitalspeicher übernommen werden. Der Digitalspeicher braucht selbst nur die Kapazitä entsprechend der maximal vorkommenden Nullpuiikt abweichung zu besitzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur selbsttätigen Nullpunkt-Korrektur eines Analog-Digital-Umsetzers, der einen Komparator zum Vergleich eines analogen Eingangssignals mit einem Referenzsignal aufweist und während des Vergleiches Impulse in einen Vor-Rückwärtszähler zählt, bei der periodisch Nullsignal auf den Eingang des Umsetzers gegeben wird und gleichzeitig Impulse in den Vor-Rückwärtszähler eingezählt werden, deren Zählwert der Nuüpunktabweichung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Digitalspeicher (6) den der Nullpunktabweichung entsprechenden Zählwert speichert und daß bei der Umsetzung des analogen Eingangssignals der im Digitalspeicher enthaltene Zählwert in den Zähler (4) übernommen und sein Zählstand um den gespeicherten Zählwert verändert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, 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 Bezugssignals wieder bis auf den Anfangswert abintegriert, währenddessen ein dem Integrator nachgeschalteter Komparator die Digitalausgabc 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.

J. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ermittlung der NuII-punktabwcichung der Zähler (4) in Vorwärtsrichtung zählt.