DE2430252A1 - LINEARIZATION CIRCUIT FOR DIGITAL SIGNALS - Google Patents
LINEARIZATION CIRCUIT FOR DIGITAL SIGNALSInfo
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Description
DR. MULLER-BORJa · DIPL.-ING. GROENINGDR. MULLER-BORJa DIPL.-ING. GROENING
DIPL.-CIIEM-DR. DEUFEL · DIPL.-CIIEM. DR. SCHÖNDIPL.-CIIEM-DR. DEUFEL DIPL.-CIIEM. DR. SCHÖN
DIPL.-PHYS. HERTELDIPL.-PHYS. HERTEL
P ATENTAN^ÄLTBP ATENTAN ^ ELTB
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INTEGRATED PHOTOMATRIX LTD. Dorchester, Dorset, EnglandINTEGRATED PHOTOMATRIX LTD. Dorchester, Dorset, England
Linearisierungsschaltung für digitale SignaleLinearization circuit for digital signals
Die Erfindung betrifft eine Linearisierungsschaltung zum Umformen von digitalen Signalen, durch welche Vierte einer nicht linearen Funktion ausgedrückt werden, in digitale Signale, durch welche Werte einer linearen Funktion ausgedrückt werden.The invention relates to a linearization circuit for forming of digital signals through which fourth one does not linear function are expressed in digital signals through which values of a linear function are expressed.
Wenn eine direkte digitale Darstellung eines analogen elektrischen Signals erfolgen soll, das von einem Wandler erzeugt wird, der zum Messen eines physikalischen Parameters verwendet wird, wird ein Analog-Digital-Umformer benutzt, beispielsweise ein digitalesAnzeigexristrument, um das Ausgangssignal des Wandlers in ein digitales Signal umzuformen, das für eine digitale Anzeigeeinrichtung geeignet ist. Wenn jedoch das Ausgangssignal eines Wandlers eine nicht lineare Beziehung zu dem zu messenden Parameter hat, hat die dargestellte Digitalanzeige ebenfalls eine nicht lineare Beziehung zu dem Parameter. Ein Beispiel für einen nicht linearen Wandler ist ein Thermoelement, bei welchem die erzeugte Ausgangsspannung und die Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen des Thermoelements durch eine nicht lineare Funktion in Beziehung gesetzt sind. 409884/103 1If a direct digital representation of an analog electrical Signal that is generated by a transducer that is used to measure a physical parameter an analog-to-digital converter is used, for example a digital display instrument to display the output signal of the Converter into a digital signal that is suitable for a digital display device. However, if that The output signal of a transducer has a non-linear relationship to the parameter to be measured, the digital display shown has also a non-linear relationship to the parameter. An example of a non-linear converter is a Thermocouple, in which the generated output voltage and the temperature difference between the connection points of the Thermocouple related by a non-linear function are set. 409884/103 1
Um eine brauchbare digitale Darstellung des Ausgangssignals eines solchen Wandlers zu erhalten, möchte man eine Transformierung derart bewirken, daß zwischen der dargestellten digitalen Information und dem zu messenden Parameter eine lineare Beziehung besteht.In order to obtain a usable digital representation of the output signal of such a converter, one would like a transformation cause in such a way that between the displayed digital information and the parameter to be measured a linear relationship exists.
Bisher hat man die nicht lineare charakteristische Kurve, die sich auf das analoge Ausgangssignal des Wandlers und des Parameters bezieht, in eine Anzahl von gedachten linearen Segmenten unterteilt und bei jedem Ausgangssignal des Wandlers in Abhängigkeit von dem Segment, auf welchem ein solches Ausgangssignal liegt, eine Linearisierungskorrektur angebracht Diese Linearisierungsoperation hat man bis jetzt durch Modifizieren einer Bezugsspannung bewirkt, die am Eingang des digitalen Anzeigeinstrumentes so eingesetzt wurde, daß direkt am Ausgang des Gerätes ein linearisiertes digitales Signal erhalten wird· Eine solche Anordnung ist jedoch nur auf bestimmte Arten von digitalen Meßsystemen anwendbar. Darüber hinaus müssen Maßnahmen getroffen werden, um ein Driften bzw. Auswandern der variablen Bezugsspannung auszuschließen*So far one has the non-linear characteristic curve, which affects the analog output signal of the converter and the Parameter, divided into a number of imaginary linear segments and with each output signal of the converter Depending on the segment on which such an output signal lies, a linearization correction is applied This linearization operation has heretofore been accomplished by modifying a reference voltage applied to the input of the digital display instrument was used in such a way that a linearized digital signal directly at the output of the device However, such an arrangement is only applicable to certain types of digital measuring systems. About that In addition, measures must be taken to prevent drifting or drifting of the variable reference voltage *
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Linearisierungsschaltung zu schaffen, die bei jeder Art von digitalem Meßsystem verwendbar ist und bei der gegenüber dem Driften der Spannung empfindliche Anordnungen vermieden werden.The object of the invention is to provide a linearization circuit that can be used with each Kind of digital measuring system can be used and avoided in the sensitive to the drifting of the voltage arrangements will.
Diese Aufgabe wird durch eine Linearisierungsschaltung mit den nachstehenden Elementen gelöst. Eine Eingangsklemme empfängt die digitalen Eingangssignale, durch welche Werte einer nicht linearen Funktion ausgedrückt werden. Eine Klassierungseinheit arbeitet so, daß die nicht lineare Funktion in eine Anzahl von Segmenten bzw. Abschnitten unterteilt wird. Die Klassierungseinheit ist so geschaltet, daß sie die digitalen Eingangssignale von der Eingangsklemme empfängt und ein Ausgangsklassierungssignal erzeugt, welchesThis object is achieved by a linearization circuit with the following elements. An input terminal receives the digital input signals by which values of a non-linear function are expressed. One The classification unit works so that the non-linear function is divided into a number of segments will. The classification unit is connected so that it receives the digital input signals from the input terminal and generates an output classification signal which
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jedem digitalen Eingangssignal entspricht, wodurch das Segment bzw.* der Abschnitt der nicht linearen Funktion angezeigt wird, auf dem das digitale Eingangssignal liegt. Ein erster Generator ist so geschaltet, daß er die Klassierungssignale· empfängt und ansprechend auf jedes Klassierungssignal ein Ausgangssignal erzeugt, welches einen Multiplikationsfaktor ausdrückt, der dem Segment der nicht linearen Funktion entspricht, das durch das Klassierungssignal angezeigt wird. Ein zweiter Generator ist so geschaltet, daß er die Klassierungssignale empfängt und auf jedes Klassierungssignal so anspricht, daß ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches einen Additionsfaktor ausdrückt, der dem Segment der nicht linearen Funktion entspricht, welches durch das Klassierungssignal ausgedrückt wird. Schließlich ist eine Recheneinheit so geschaltet, daß sie die digitalen Eingangssignale Y, die entsprechenden Multiplikationssigna.ie und die entsprechenden Additions signale empfängt und so operiert, daß Ausgangssignale X erzeugt werden, durch welche Werte einer linearen Funktion der Form X = w + zY ausgedrückt werden.corresponds to every digital input signal, which means that the Segment or * the section of the non-linear function is displayed on which the digital input signal lies. A first generator is connected to receive the classification signals and in response to each classification signal generates an output signal expressing a multiplication factor that does not correspond to the segment of the corresponds to the linear function indicated by the classification signal. A second generator is connected in such a way that that it receives the classification signals and is responsive to each classification signal to provide an output signal is generated which expresses an addition factor that corresponds to the segment of the non-linear function, which is expressed by the classification signal. Finally, a computing unit is connected so that it the digital input signals Y, the corresponding multiplication signals and receives the corresponding addition signals and operates to produce output signals X. be used to express the values of a linear function of the form X = w + zY.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung multipliziert die Recheneinheit zuerst ein digitales Eingangssignal Y mit dem entsprechenden Multiplikationsfaktor und addiert dann den Additionsfaktor zu dem sich ergebenden Signal. In diesem Fall erzeugt der erste Generator ein Ausgangssignäl, welches den Multiplikationsfaktor ζ in der linearen Funktion X = w + zY ausdrückt. Der zweite Generator erzeugt ein Ausgangssignal, welches den Additionsfaktor w ausdrückt.In one embodiment of the invention, the multiplies Arithmetic unit first a digital input signal Y with the corresponding multiplication factor and then adds the addition factor to the resulting signal. In this case the first generator generates an output signal, which expresses the multiplication factor ζ in the linear function X = w + zY. The second generator produces an output signal expressing the addition factor w.
Bei einer alternativen Ausführungsform addiert die Recheneinheit zuerst den entsprechenden Additionsfaktor zu dem digitalen Eingangssignal und multipliziert dann das sich ergebende Signal mit dem entsprechenden Multiplikationsfaktor. In diesem Fall erzeugt der erste Generator ein In an alternative embodiment, the arithmetic unit adds first the corresponding addition factor for the digital input signal and then multiply that resulting signal with the corresponding multiplication factor. In this case the first generator produces one
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Ausgangssignal, welches den Multiplikationsfaktor ζ in der linearen Funktion ausdrückt. Der zweite Generator erzeugt ein Ausgangssignal, welches einen Additionsfaktor w/z ausdrückt.Output signal which has the multiplication factor ζ in the expresses a linear function. The second generator produces an output signal expressing an addition factor w / z.
Anhand der beiliegenden Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.The invention is explained in more detail, for example, with the aid of the accompanying drawing.
Fig. 1 zeigt in einem Diagramm eine typische nicht lineare Funktion und eine lineare Funktion, in welche die nicht lineare Funktion umzuformen ist.Fig. 1 shows a diagram of a typical non-linear Function and a linear function into which the non-linear function is to be transformed.
Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform einer Linearisierungsschaltung zum Umformen digitaler Signale, welche Werte der nicht linearen Funktion ausdrücken, in digitale Signale, welche Werte der linearen Funktion ausdrücken.Fig. 2 shows in a block diagram an embodiment of a linearization circuit for converting digital signals which express values of the non-linear function, into digital signals, which express values of the linear function.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Diagramm sind auf der Abszisse die Werte eines von einem Wandler zu messenden Parameters angezeigt, der ein analoges Signal erzeugt, welches in nicht linearer Weise auf den Wert des Parameters bezogen ist. Die Ordinate gibt den Digitalwert wieder, der dem analogen Ausgangssignal des Wandlers zugeordnet ist und somit dem Wert des Parameters.In the diagram shown in FIG. 1, the values of a parameter to be measured by a transducer are on the abscissa which generates an analog signal which is related to the value of the parameter in a non-linear manner. the The ordinate shows the digital value that is assigned to the analog output signal of the converter and thus the value of the parameter.
Die Kurve a-d zeigt die nicht lineare Beziehung, die man erhält, wenn analoge Signale in digitale Signale ohne irgendeine Linearisierungsstufe umgeformt werden. Die Kurve a'-d gibt die gewünschte lineare Beziehung zwischen den digitalen Signalen und dem gemessenen Parameter wieder.The curve a-d shows the non-linear relationship that one obtained when analog signals are converted into digital signals without any linearization stage. The curve a'-d gives the desired linear relationship between the digital signals and the measured parameter again.
Wenn die Kurve a-d in eine geeignete Anzahl von Segmenten oder Abschnitten unterteilt wird, beispielsweise in die Segmente a-b, b-c und c-d, können die einzelnen Segmente als linear angesehen werden. Für die Beziehung zwischenWhen the curve a-d is divided into an appropriate number of segments or sections, e.g. Segments a-b, b-c and c-d, the individual segments can be viewed as linear. For the relationship between
A 0 SB 84A 0 SB 84
ORJGlNAL INSPECTEDORJGlNAL INSPECTED
jedem Segment der Kurve a-d und die gewünschte lineare Punktion a'-d kann ein einfacher mathematischer Ausdruck folgendermaßen abgeleitet werden:Each segment of the curve a-d and the desired linear puncture a'-d can be a simple mathematical expression can be derived as follows:
Die Gerade a'-d kann durch die GleichungThe straight line a'-d can be given by the equation
X = C1P (1)X = C 1 P (1)
ausgedrückt werden, wobei X der digitale Wert, P der Wert des Parameters und c. eine Proportionalitätskonstante sind·be expressed, where X is the digital value, P is the value of the parameter and c. are a constant of proportionality
In gleicher Weise kann jedes geradlinige Segment der Kurve a-d durch eine Gleichung der FormIn the same way, each straight line segment of the curve a-d can be represented by an equation of the form
Y = C2P + C3 ..... (2)Y = C 2 P + C 3 ..... (2)
ausgedrückt werden, wobei Y der.digitale Wert und c« und ο» Konstante sind, die sich insgesamt bei den verschiede] Segmenten unterscheiden. - .can be expressed, where Y is the digital value and c «and ο» are constants that differ overall in the various] segments. -.
Aus Gleichung (2) erhält man dann:From equation (2) we then get:
P= (Y-C3Vc2 .;... (3)P = (YC 3 Vc 2 .; ... (3)
Durch Einsetzen von Gleichung (3) in Gleichung (1) erhält manSubstituting equation (3) into equation (1), one obtains
X = w + zY (4)X = w + zY (4)
wobei W=: -c.c«Zco und. ζ = c„Zc'where W =: -cc «Zc o and. ζ = c "Zc"
£ e^ 8 8*4 /-£ e ^ 8 8 * 4 / -
ORIGSNAL iNSPECTEDORIGSNAL iNSPECTED
Die Konstante w ist somit ein Additionsfaktor und die Konstante ζ ein Multiplikationsfaktor. Diese Paktoren sind erforderlich, um die Gerade Y in die Gerade X umzuformen.The constant w is thus an addition factor and the constant ζ a multiplication factor. These factors are required to transform straight line Y into straight line X.
Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung dient zur Ausführung von Gleichung (k) derart, daß digitale Eingangssignale, die eine nicht lineare Beziehung zu einem zu messenden Parameter haben, in digitale Ausgangssignale umgeformt werden, die eine lineare Beziehung zu dem Parameter haben·The circuit shown in Fig. 2 is used to execute equation (k) such that digital input signals which have a non-linear relationship to a parameter to be measured are converted into digital output signals which have a linear relationship to the parameter.
Wie aus Pig· 2 zu sehen ist, empfängt eine Bingangsklemme der Schaltung digitale Eingangssignale von einem herkömmlichen digitalen Meßgerät. Mit der Klemme 1 ist eine Klassierungseinheit oder ein Segmentumwandler 2 (staticizer) verbunden, der die digitalen Eingangssignale empfängt und eine Anzahl von Ausgängen 3 hat, von denen jeder einem jeweiligen Segment der Kurve entspricht, welche die Punktionsbeziehung zwischen den digitalen Eingangssignalen und dem zu messenden Parameter ausdrückt. Der Umwandler 2 klassiert jedes Eingangssignal entsprechend dem Segment der Funktionskurve, auf dem es liegt, und erzeugt ein Ausgangsklassierungssignal an dem entsprechenden Ausgang 3*As can be seen from Pig * 2, an input terminal receives the circuit receives digital input signals from a conventional digital meter. A classification unit or a segment converter 2 (staticizer) is connected to terminal 1, which receives the digital input signals and has a number of outputs 3, each of which is a respective segment corresponds to the curve expressing the puncture relationship between the digital input signals and the parameter to be measured. The converter 2 classifies each input signal according to the segment of the function curve on which it lies, and generates an output classification signal at the corresponding output 3 *
Bei dem gezeigten Beispiel ist die Funktionskurve in drei gleiche* Segmente unterteilt. Je nach den praktischen Anforderungen kann jedoch jede geeignete Anzahl von Segmenten gewählt werden. Die Segmente sind gleich den Abständen zwischen digitalen Werten. Im Falle eines digitalen Anzeigegeräte· mit einem Meßbereich von beispielsweise 1,999 Volt kann jedes Segment einen Bereich von 25o Skalenwerten überspannen, d. h. das erste Segment überspannt das Intervall O bis 25o, das zweite Segment das Intervall 251 bis 5oo usw..In the example shown, the function curve is divided into three equal * segments. However, any suitable number of segments can be used depending on practical requirements to get voted. The segments are equal to the distances between digital values. In the case of a digital display device with a measuring range of, for example, 1.999 volts each segment can span a range of 25o scale values, i.e. H. the first segment spans the interval O to 25o, the second segment the interval 251 to 5oo, etc.
ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
Die AusgangsSignale an den Ausgängen 3 des Umwandlers 2 werden einem ersten Generator in Form eines Lesespeichers k zugeführt, der abhängig davon, auf welchem Segment ein digitales Eingangssignal liegt, an seinem Ausgang 5 jeweils ein Ausgangssignal erzeugt, welches dem Wert des Multiplikationsfaktors ζ für dieses Segment entspricht.The output signals at the outputs 3 of the converter 2 are fed to a first generator in the form of a read-only memory k , which, depending on which segment a digital input signal is on, generates an output signal at its output 5 which corresponds to the value of the multiplication factor ζ for this segment is equivalent to.
Eine Recheneinheit 6 hat eine Multiplizierschaltung 7» so geschaltet ist, daß sie die digitalen Eingangssignale Y von der Klemme 1 und das Ausgangssignal ζ vom Generator 4 empfängt. Die Multiplizierschaltung erzeugt an ihrem Ausgang 8 ein Signal, welches der Komponente zY entspricht.A computing unit 6 has a multiplier circuit 7 » is switched so that it receives the digital input signals Y from terminal 1 and the output signal ζ from generator 4 receives. The multiplier circuit generates a signal at its output 8 which corresponds to the component zY.
Die Ausgangssignale von dem Umwandler 2 werden auch einem zweiten Generator in Form eines Lesespeichers 9 zugeführt, der an seinem Ausgangs Io ein Ausgangssignal erzeugt, welches dem Additionsfaktor w für das Segment entspricht, auf dem das digitale Eingangssignal liegt. Eine Addierschaltung 11 in der Recheneinheit 6 empfängt die Ausgangssignale vom Generator 9 und von der Multiplizierschaltung 7 und bildet die Summe w + zY.The output signals from the converter 2 also become a second generator in the form of a read-only memory 9, which generates an output signal at its output Io, which corresponds to the addition factor w for the segment, on which the digital input signal is located. An adding circuit 11 in the arithmetic unit 6 receives the output signals from the generator 9 and from the multiplier circuit 7 and forms the sum w + zY.
Die Addierschaltung 11 gibt so an ihrem Ausgang 12 die geforderten linearisiert en digitalen Signale ab, die einer Darstellungs- bzw. Anzeigeeinrichtung zugeführt werden.The adding circuit 11 emits the required linearized digital signals at its output 12, which one Representation or display device are supplied.
Die ganze, in Pig. 2 gezeigte Schaltung kann entweder aus getrennten Bauelementen, in teilweise integrierter Form oder in völlig integrierter Form hergestellt werden. Die Schaltung kann unter Verwendung entweder einer bipolaren oder einer MOS-Halbleiter-Technologie gebaut werden.The whole, in Pig. 2 circuit shown can either be off separate components, in partially integrated form or in fully integrated form. the Circuit can be built using either bipolar or MOS semiconductor technology.
8 k 116-3-t -8 k 1 16-3-t -
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