DE2437438B1

DE2437438B1 - PROCESS DEVICE FOR INCREASING THE ACCURACY OF ANALOGUE MEASURING PROCEDURES WHEN REGISTERING USING DIGITAL SYSTEMS.

Info

Publication number: DE2437438B1
Application number: DE19742437438
Authority: DE
Inventors: Manfred Detterer; Sigurd Stots
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1974-08-02
Filing date: 1974-08-02
Publication date: 1976-02-12

Description

Diese Fehler lassen sich weitgehend reduzieren, wenn vor jeder Messung eine Kalibrierung der gesamten Analogkette vorgenommen wird. Dies kann z. B. so geschehen, daß am Eingang der Meßkette eine genau bekannte Bezugsspannung angelegt wird, die am Ausgang der Analogkette, d. h. am Eingang des A/D-Wandlers, gemessen wird. Damit liegen die statischen Übertragungseigenschaften der Analogkette in einem Punkt fest. Zur Kalibrierung der Verstärkung ist die Festlegung eines weiteren Punktes in der Übertragungskennlinie erforderlich. Sollen auch Übertragungseigenschaften höherer Ordnung wie z. B. Nichtlinearitäten erfaßt werden, so wären noch mehr Kalibrierpunkte erforderlich. These errors can be largely reduced if before each measurement the entire analog chain is calibrated. This can e.g. B. so happen that a precisely known reference voltage is applied to the input of the electrode at the output of the analog chain, i. H. measured at the input of the A / D converter will. This means that the static transmission properties of the analog chain are in one Point firmly. To calibrate the gain, you need to define a further point required in the transfer characteristic. Should also transmission properties higher order such as B. non-linearities are detected, there would be even more calibration points necessary.

Erfindungsgemäß werden am Eingang der analogen Meßkette in unmittelbarem zeitlichen Zusammenhang mit dem Meßvorgang nacheinander mindestens zwei genau bekannte Kalibrierwerte angelegt und über die MeRkette dem Digitalsystem zugeführt und dort in digitaler Form gespeichert. According to the invention are at the input of the analog measuring chain in immediate temporal relationship with the measuring process successively at least two precisely known Calibration values are created and fed to the digital system via the measurement chain and there stored in digital form.

Diese gespeicherten Werte stehen beliebig lange, auch über die Dauer des Meßvorganges hinaus zur Verfügung. Sie bieten eine genaue Kennzeichnung der Übertragungseigenschaften der analogen Meßkette und damit eine eindeutige Zuordnung definierter physikalischer Werte zu den beim Meßvorgang gespeicherten Digitalzahlen. Sie können auch für eine automatische Pegeleinstellung (Datenumkodierung) beim Ausgabevorgang der gespeicherten Daten benutzt werden. These stored values are available for any length of time, even over the duration of the measuring process available. They provide precise identification of the Transmission properties of the analog electrode and thus a clear assignment defined physical values for the digital numbers stored during the measuring process. You can also use automatic level adjustment (data transcoding) during the output process of the stored data are used.

Durch diese Dokumentation der Übertragungseigenschaften wird die Einstellung der gesamten analogen Meßkette weitgehend unkritisch.This documentation of the transmission properties makes the setting of the entire analog measuring chain is largely uncritical.

Der gesamte Vorgang der Kalibrierung und des damit verbundenen Abgleichs der Datenausgabe läßt sich weitgehend automatisieren, so daß die erzielte Genauigkeitssteigerung ohne zusätzlichen Mehraufwand zu erreichen ist. The entire process of calibration and the associated adjustment the data output can be largely automated, so that the increase in accuracy achieved can be achieved without additional effort.

Ein derartiges digitales Speichersystem, wie es z. B. Such a digital storage system, as it is e.g. B.

in den sogenannten Transientenrecordern verwendet wird, sei zum besseren Verständnis der Erfindung grundsätzlich beschrieben.is used in the so-called transient recorders, be for the better Understanding of the invention described in principle.

Es handelt sich hierbei um eine Vorrichtung, die es gestattet, analoge Meßwerte in digitalen Systemen zu speichern. Sie besteht aus einem Analog- Digital-Wandler, einem Digitalspeicher und einem nachfolgenden Digital-Analog-Wandler. Nach dem Einspeicherungsvorgang der Meßwerte können diese sofort über einen X-Y-Schreiber bzw. einen Plotter als analoge Kurven ausgegeben werden. Die Ausgabegeschwindigkeit hat keinerlei Beziehung zur Einspeichergeschwindigkeit; sie kann den Eigenschaften des Schreibers bzw. Plotters angepaßt werden. This is a device that allows analog To store measured values in digital systems. It consists of an analog-digital converter, a digital memory and a subsequent digital-to-analog converter. After the storage process of the measured values can these immediately via an X-Y recorder or a plotter as analog curves are output. The output speed has no relation whatsoever to the storage speed; it can match the characteristics of the writer or plotter be adjusted.

Gegenüber rein analogen Meßsystemen kann durch die Digitalisierung eine beträchtliche Genauigkeitssteigerung bei der Datenspeicherung erreicht werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Genauigkeitssteigerung auch auf die dem Digitalspeicher vor- und nachgeschalteten Analogketten (Meßwertaufnehmer, Verstärker, Analog-Digital-Wandler, Digital-Analog-Wandler, Schreiber od. ä. auszudehnen. Compared to purely analog measuring systems, digitization a considerable increase in the accuracy of data storage can be achieved. The present invention makes it possible to increase the accuracy on the the digital memory upstream and downstream analog chains (transducers, amplifiers, Analog-to-digital converter, digital-to-analog converter, writer or the like.

Die festgestellten Übertragungseigenschaften der analogen Meßkette können zur genauen Auswertung bzw. zur Korrektur der gewonnenen Meßergebnisse verwendet werden, wobei vorausgesetzt wird, daß die Übertragungseigenschaften in der Zeit zwischen der Kalibrierung und dem Meßvorgang sich nicht ändern. The determined transmission properties of the analog measuring chain can be used for precise evaluation or correction of the measurement results obtained assuming that the transmission properties are in time do not change between calibration and measurement.

Eine gesonderte Messung der Kalibrierwerte am Eingang eines A/D-Wandlers kann entfallen, da der A/D-Wandler im Rahmen seiner Auflösung ohnehin an seinem Ausgang eine seiner Eingansspannung entsprechende Digitalzahl liefert. Diese kann entweder zur Anzeige gebracht und als Bezugsgröße für die Kalibrierung notiert werden, oder aber - was zweckmäßiger ist - in einem gesonderten Register abgespeichert werden, von wo sie für eine spätere Verwendung jederzeit abgerufen werden kann. A separate measurement of the calibration values at the input of an A / D converter can be omitted because the A / D converter is already connected to its resolution as part of its resolution The output supplies a digital number corresponding to its input voltage. This can either be displayed and noted as a reference value for the calibration, or - which is more useful - stored in a separate register, from where it can be called up at any time for later use.

Verzichtet man darauf, bei der Kalibrierung Linearitätsfehler zu erfassen, so sind zwei Kalibrierwerte zur Charakterisierung der statischen Übertragungskennlinie ausreichend. If one does not lead to linearity errors in the calibration capture, two calibration values are required to characterize the static transfer characteristic sufficient.

Die Eingabe der Kalibrierwerte kann am einfachsten als elektrische Zustandsänderung (Spannung, Widerstand, Ladung, Strom usw.) am Ausgang des Meßwertaufnehmers erfolgen. Dabei werden allerdings die Eigenschaften des Meßwertaufnehmers selbst nicht erfaßt. Wenn irgend möglich, sollten daher die Kalibrierwerte in Form der physikalischen Meßgröße am Eingang des Meßwertaufnehmers eingegeben werden. Entering the calibration values is the easiest than electric Change of state (voltage, resistance, charge, current etc.) at the output of the transducer take place. In doing so, however, the properties of the transducer itself not recorded. If at all possible, the calibration values should therefore be in the form of physical measured variable can be entered at the input of the transducer.

Wird zur Verarbeitung der digitalisierten Analog-Daten ein Computer verwendet, so können die Kalibrierwerte auch diesem zugeführt werden. A computer is used to process the digitized analog data is used, the calibration values can also be fed to this.

Ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Eingabe und Speicherung zweier Kalibrierwerte ist in F i g. 1 dargestellt. Um hier das Blockbild leichter verständlich zu machen, wurde auf die Einführung von Bezugszeichen verzichtet und die Funktion der einzelnen Blöcke in Stichworten gekennzeichnet. Die beiden Kalibrierwerte müssen nacheinander gespeichert werden, nachdem eine entsprechende Zustandsänderung am Eingang der Meßkette vorgenommen wurde. Zweckmäßig erfolgt die Eingabe so, daß der eine Kalibrierwert den unbelasteten Zustand des Meßwertaufnehmers (Nulllage), der andere die zu erwartende Meßamplitude (Vollausschlag) darstellt. Wie schon erwähnt, müssen, wenn auch Linearitätsfehler mit erfaßt werden sollen, mehr als zwei Kalibrierwerte eingegeben und getrennt abgespeichert werden. Damit die Kalibrierung durch eventuell vorhandene Störwechselspannungen (Netzbrumm, Trägerfrequenzreste od. ä.) nicht beeinflußt wird, sollte jeder Kalibrierwert nicht nur einmal digitalisiert werden, sondern innerhalb einer gewissen Zeitspanne eine größere Anzahl von Digitalisierungen vorgenommen werden. Aus den so erhaltenen Werten wird der arithmetische Mittelwert gebildet und dieser in entsprechenden Registern A und B abgespeichert, wo er für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung steht. In einer ausgeführten Schaltung werden z. B. je Kalibrierwert 2048 Digitalwerte zu je 10 bit innerhalb einer Zeitspanne von etwa 100 ms gebildet. An embodiment of an arrangement for input and storage two calibration values is shown in FIG. 1 shown. To make the block diagram easier here To make it understandable, the introduction of reference symbols was dispensed with and the function of the individual blocks is identified in key words. The two calibration values must be saved one after the other after a corresponding change of state was made at the entrance of the electrode. The input is expediently made in such a way that one calibration value indicates the unloaded condition of the transducer (zero position), the other represents the expected measurement amplitude (full scale). As already mentioned, If linearity errors are also to be recorded, more than two calibration values must be used entered and saved separately. So that the calibration through possibly Existing interference AC voltages (mains hum, residual carrier frequency or the like) are not influenced every calibration value should not only be digitized once, but carried out a large number of digitizations within a certain period of time will. The arithmetic mean is calculated from the values obtained in this way and this is stored in the corresponding registers A and B, where it can be used for another Processing is available. In an executed circuit z. B. each Calibration value 2048 digital values of 10 bits each within a period of approx 100 ms formed.

Die beiden in den Registern A und B gespeicherten Digitalwerte repräsentieren zwei genau definierte Zustände am Eingang der analogen Meßkette. Sowohl die Nullage als auch die Verstärkung der analogen Meßkette sind dadurch eindeutig erfaßt. Die vorhergegangenen Einstellungen sowohl der Verstärkung als auch der Nullage der analogen Meßketten brauchen deshalb nicht genau reproduzierbar zu sein. Der Verwendung einfacher und billiger Verstärker, die nur eine ungefähre Einstellung der Nullage und Verstärkung erlauben, steht nichts im Wege. Sie müssen lediglich innerhalb der kurzen Zeit zwischen Kalibrierung und Ende der Messung genügend stabil sein. The two digital values stored in registers A and B represent two precisely defined states at the input of the analog electrode. Both the zero position as well as the amplification of the analog measuring chain are clearly recorded. the previous settings of both the gain and the zero position of the analog Therefore electrodes do not need to be exactly reproducible. Easier to use and cheaper amplifiers that only provide an approximate setting of the zero position and gain allow nothing stands in the way. All you have to do is get in between the short time The calibration and the end of the measurement are sufficiently stable.

Die Eingabe der Kalibrierwerte läßt sich weitgehend automatisieren und damit die Bedienung stark vereinfachen. The input of the calibration values can be largely automated and thus greatly simplify operation.

Mit Hilfe der beiden durch den Kalibriervorgang erhaltenen Digitalwerte, die in den Registern A und B (F i g. 1) abgespeichert sind, läßt sich ein automatischer Abgleich des Ausgangskanals verwirklichen. Ein Ausführungsbeispiel einer hierzu verwendeten Anordnung ist im Blockschaltbild F i g. 2 dargestellt. With the help of the two digital values obtained through the calibration process, which are stored in registers A and B (Fig. 1) can be an automatic Realize alignment of the output channel. An embodiment of this The arrangement used is shown in the block diagram F i g. 2 shown.

Ein von einer Steuerelektronik 1 beeinflußter Umschalter 2 schaltet nacheinander die Registerinhalte A und B sowie die vom Speicher kommenden Daten auf einen Digital-Analog-Wandler für Daten 3. Daraus ergeben sich drei Phasen des Abgleich- bzw. Wiedergabevorgangs, die im folgenden beschrieben werden. A changeover switch 2 influenced by control electronics 1 switches one after the other the register contents A and B as well as the data coming from the memory to a digital-to-analog converter for data 3. This results in three phases of the Adjustment or playback process, which are described below.

Nachdem der Ausgabevorgang gestartet wurde, wird von der Steuerelektronik f der Digitalumschalter 2 so adressiert, daß der Ausgang des Registers A (Nullage) mit dem Eingang des D/A-Wandlers (Daten) 3 verbunden ist. Die daraus resultierende Analogspannung erscheint an dem Plus-Eingang eines Differenzverstärkers 4. Gleichzeitig werden von der Steuerelektronik 1 Taktimpulse über eine Leitung 5 an einen Binärzähler 6 geliefert. Dessen Zählablauf wird über einen weiteren D/A-Wandler (Vorspannung) 7 in einen treppfenförmigen Spannungsverlauf verwandelt und über eine Leitung 8 dem Minus-Eingang des Differenzverstärkers 4 zugeführt. After the dispensing process has started, the control electronics f the digital switch 2 so addressed that the output of the register A (zero position) is connected to the input of the D / A converter (data) 3. The one from it The resulting analog voltage appears at the plus input of a differential amplifier 4. At the same time, the control electronics send 1 clock pulses over a line 5 is supplied to a binary counter 6. Its counting process is carried out via a further D / A converter (Pre-tension) 7 transformed into a staircase-shaped tension curve and over a Line 8 is fed to the minus input of differential amplifier 4.

Da die Verstärkung eines digital programmierbaren dem Verstärker 4 nachgeschalteten Verstärkers 9 während dieser Phase des Abgleichs unverändert bleibt, gelangt die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4 unbeeinflußt an die Plus-Eingänge zweier Komparatoren A' und B. Im Komparator A' wird diese Spannung mit Null (Massenpotential) verglichen. Ist die Treppenspannung desD/A-Wandlers (Vorspannung) 7 soweit angestiegen, daß die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4 zu Null wird, so liefert der Komparator A' über die Leitung 10 ein Signal, das über die Steuerelektronik 1 den Takt für den Binärzähler 6 stoppt. Damit ist der Abgleichvorgang für die Nullage abgeschlossen. Es ist jetzt gewährleistet, daß jedes Digitalwort der vom Speicher ankommenden Daten, welches dem im Register A gespeicherten entspricht, am Y-Ausgang eine Spannung von 0 Volt hervorruft. As the gain of a digitally programmable the amplifier 4 downstream amplifier 9 unchanged during this phase of the adjustment remains, the output voltage of the differential amplifier 4 arrives unaffected the plus inputs of two comparators A 'and B. In comparator A' this voltage is compared to zero (mass potential). Is the staircase voltage of the D / A converter (bias) 7 increased so far that the output voltage of the differential amplifier 4 to zero is, the comparator A 'delivers a signal via the line 10, which via the Control electronics 1 stop the cycle for binary counter 6. This is the calibration process completed for the zero position. It is now guaranteed that every digital word the incoming data from the memory, which corresponds to the data stored in register A, causes a voltage of 0 volts at the Y output.

Nach dem Abgleich der Nullage schaltet die Steuerelektronik 1 den Digitalumschalter 2 automatisch auf das Register B (Vollausschlag). Dadurch gelangt der während des Kalibriervorgangs hier eingespeicherte Digitalwert an den Eingang des D/A-Wandlers (Daten) 3. Dessen Ausgangsspannung wird wiederum über den Differenzverstärker 4 dem digital programmierbaren Verstärker 9 zugeführt. Gleichzeitig liefert die Steuerelektronik 1 über eine Leitung 11 ein Taktsignal an einen zweiten Binärzähler 12. Dessen Zählablauf verän- dert die Verstärkung und damit die Ausgangsspannung des digital programmierbaren Verstärkers 9 treppenförmig. Bei Spannungsgleichheit zwischen der Ausgangsspannung und der geräteinternen Referenzspannung spricht der Komparator g an und stoppt über der Leitung 13 und die Steuerelektronik 1 den Takt für den Binärzähler 12. Damit ist der automatische Abgleichvorgang für den Vollausschlag beendet. Es ist jetzt gewährleistet, daß jedes vom Speicher ankommende Digitalwort, welches dem im Register B abgespeicherten entspricht, am Y-Ausgang immer eine Spannung liefert, die der verwendeten Referenzspannung gleich ist. After adjusting the zero position, the control electronics 1 switches the Digital switch 2 automatically to register B (full deflection). This arrives the digital value stored here during the calibration process at the input of the D / A converter (data) 3. Its output voltage is in turn via the differential amplifier 4 is supplied to the digitally programmable amplifier 9. At the same time, the Control electronics 1 send a clock signal to a second binary counter via a line 11 12. Change its counting sequence changes the gain and thus the output voltage of the digitally programmable amplifier 9 step-shaped. If the voltage is equal the speaks between the output voltage and the device-internal reference voltage Comparator g on and stops over the line 13 and the control electronics 1 the clock for the binary counter 12. This is the automatic adjustment process for the full scale completed. It is now guaranteed that every digital word arriving from the memory, which corresponds to the one stored in register B, always a voltage at the Y output that is equal to the reference voltage used.

Dieselbe Referenzspannung kann zum Y-Abgleich eines X-Y-Schreibers herangezogen werden. In diesem Falle erstreckt sich die Kalibrierung vom Eingang der Meßkette bis zum Ausschlag des Schreibers und schließt alle dazwischenliegenden Glieder ein. The same reference voltage can be used for the Y-adjustment of an X-Y recorder can be used. In this case the calibration extends from the input of the electrode up to the deflection of the recorder and closes all in between Limbs a.

Nach dem Abgleich des Vollausschlags schaltet die Steuerelektronik 1 den Digitalumschalter 2 automatisch auf den Dateneingang. Die vom Speicher ankommenden Daten passieren den D/A-Wandler (Daten) 3, den entsprechend der einkalibrierten Nullage abgeglichenen Differenzverstärker 4 und den entsprechend dem einkalibrierten Vollausschlag digitalprogrammierten Verstärker 9 und gelangen an den Y-Eingang eines X- Y-Schreibers. Selbstverständlich bleiben während des Wiedergabevorganges die Zählzustände der Binärzähler 6 und 12 und damit der Abgleich des Wiedergabesystems erhalten. After the full scale has been adjusted, the control electronics switch 1 the digital switch 2 automatically to the data input. The ones arriving from the memory Data pass the D / A converter (data) 3, the corresponding to the calibrated Differential amplifier 4 adjusted to zero position and the correspondingly calibrated Full deflection digitally programmed amplifier 9 and arrive at the Y input of a X-Y recorder. Of course, the Counting states of the binary counters 6 and 12 and thus the adjustment of the playback system obtain.

Bei dem hier beschriebenen Vorgehen erfolgt eine Umformung der Meßdaten im analogen Teil der Datenausgabe (durch Null-Verschiebung im Differenz-Verstärker 4 und Verstärkungsänderung im programmierbaren Verstärker 9). Bei einer rein digitalen Weiterverarbeitung der Meßdaten müssen diese durch ein Rechenprogramm so umkodiert werden, daß die Datenausgabe den gewünschten Bezug zu den eingegebenen Kalibrierwerten erhält. In the procedure described here, the measured data are transformed in the analog part of the data output (through zero shift in the differential amplifier 4 and gain change in the programmable amplifier 9). With a purely digital one Further processing of the measurement data has to be recoded by a computer program that the data output has the desired relation to the entered calibration values receives.

Claims

Claims: 1. Method for increasing the accuracy of analog Measurement processes when registering by means of digital systems, in which at the entrance an analog electrode, at least two analog signals in succession for calibration are applied, d a -characterized that the calibration values without consideration applied to the transmission properties of the entire electrode and in registers (A, B) can be stored digitally at least for the duration of the entire measurement.

2. The method according to claim 1 or the following, characterized in that that for each calibration value within a specified period of time a plurality carried out by digitizations and the arithmetic mean is formed from this and is saved.

3. The method according to claim 1 or the following, characterized in that that the digitized measurement data correspond to the level differences of the stored Calibration values are recoded in such a way that the output is in a preselected scale he follows.

4. Apparatus for evaluating according to the method of claim 1 or the following calibration values obtained, characterized in that from one Control electronics (1) a digital switch (2) is addressed so that the output of register A (for zero position) is connected to the input of a D / A converter (data) (3) and the resulting analog voltage at the plus input of a differential amplifier (4) appears while at the same time from the control electronics (1) clock pulses over a line (5) can be supplied to a binary counter (6), the counting sequence of which is about a D / A converter (bias) (7) is converted into a stepped voltage curve and fed to the minus input of the differential amplifier (4) via a line (8) and the output voltage of the differential amplifier (4) via one in this Adjustment phase in its amplification remaining unchanged digitally programmable Amplifier (9) reaches the plus inputs of two comparators A and B and in the comparator A 'this voltage is compared with the potential zero and at the moment in which the staircase voltage of the D / A converter (7) has increased so far that the The output voltage of the differential amplifier (4) becomes zero from the comparator A via a line (10) via the control electronics (1) is given a signal that the Clock for binary counter (6) stops and that after the zero adjustment that has taken place, the Control electronics (1) set the digital switch (2) to the output of register B (full deflection) switches and in the same way the output voltage via the differential amplifier (4) the digitally programmable amplifier (9) and at the same time via a Line (11) supplies clock pulses to a binary counter (12), the counting state of which the Gain of the digitally programmable amplifier (9) changed until at Voltage equality with an internal reference voltage of the comparator B responds and the clock for the binary counter (12) stops and that after this took place Adjustment for full scale the control electronics (1) automatically on the data input switches.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the used Reference voltages for zero position and full scale simultaneously for setting the Zero position and the sensitivity of an X-Y recorder can be used.

In the last few years digital processes have become more and more popular used for storing briefly running analog measurement signals. Opposite to A purely analog registration of the measurement signal thereby increased the measurement accuracy significantly increased.

This increase in accuracy that can be achieved through digital technology can naturally only refer to the digital systems of the measuring chain, i. H. Data storage and digital processing. The signal processing takes place after as before with analog systems (transducers, amplifiers or similar). It prepares it is often difficult to increase long-term stability and reproducibility in such a way that that their accuracy corresponds approximately to that of the downstream digital system.

Since, especially in short-term measurement technology, ever higher demands to be placed on the measurement accuracy, a new method of measurement became unique occurring processes designed while maintaining the full of the digital system The accuracy required is the use of simple, easy-to-use analog systems permitted. It is based on the fact that two or more precisely known, the physical Analog values assigned to measuring devices are fed one after the other to the input of the electrode will. The resulting digital values at the end of the measuring chain are then are stored separately and form defined reference values for calibrating the entire measuring system from the transducer to the data output for the entire Duration of the measured value processing are available.

It is already known for purely analog measuring systems at the input to apply defined direct or alternating voltages to the measuring chain, which are used for manual Adjustment of the desired transmission properties of the analog electrode are used. These values are only available during the setting process.

With the analog input and output of measurement data, however, all errors related to signal generation and processing, such as temperature drift the zero position and gain, dependence on supply voltages, non-linearities and adjustment errors fully affect the measurement accuracy of the overall system.