DE2616224C3 - Circuit arrangement for the digital representation of measured variables recorded with non-linear sensors - Google Patents

Circuit arrangement for the digital representation of measured variables recorded with non-linear sensors

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DE2616224C3
DE2616224C3 DE2616224A DE2616224A DE2616224C3 DE 2616224 C3 DE2616224 C3 DE 2616224C3 DE 2616224 A DE2616224 A DE 2616224A DE 2616224 A DE2616224 A DE 2616224A DE 2616224 C3 DE2616224 C3 DE 2616224C3
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Hans Dr. Graz Leopold (Oesterreich)
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    • H03M1/10—Calibration or testing
    • H03M1/1009—Calibration

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalen Darstellung einer von einem nichtlinearen Sensor erfaßten analogen elektrischen oder nicht elektrischen Größe unter Anwendung des an sich bekannten Dual-Slope-Integrationsverfahrens, wobei die Linearisierung dadurch erreicht wird, daß während der Referenzintegration die zu integrierende Größe zeitabhängig verändert wird.The invention relates to a circuit arrangement for the digital representation of one of a non-linear Sensor recorded analog electrical or non-electrical variables using the per se known dual-slope integration method, where the linearization is achieved in that the variable to be integrated during the reference integration is changed as a function of time.

Für die Messung und ziffernmäßige Darstellung einer elektrischen Größe sind u. a. integrierende Verfahren zur Analog-Digital-Umwandlung, z. B. das Zweiflanken-(Dual Slope), das Dreiflanken- (Triple Slope) und das Ladungsausgleichverfahren (Charge Balancing) bekanntgeworden, bei welchen ein Integrator während einer bestimmten Anzahl M von Perioden eines Oszillators der Periode ρ das Zeitintegral der zu messenden Größe Y und während einer variablen Anzahl N von Perioden das Zeitintegral einer zeitlich konstanten Referenzgröße Λ bildet. Die Größen Mund N werden als Zustände eines (oder zweier) digitaler Zähler dargestellt, welche die Perioden des Oszillators abzählen. Mit Hilfe einer Vergleichsschaltung (Komparator) wird jener Zustand N des Zählers festgehalten, bei dem beide Integrale gleich groß sind:For the measurement and numerical representation of an electrical quantity, integrating methods for analog-to-digital conversion, e.g. B. the two-slope (dual slope), the three-slope (triple slope) and the charge balancing method (charge balancing) became known, in which an integrator during a certain number M of periods of an oscillator of the period ρ the time integral of the variable Y and to be measured forms the time integral of a reference variable Λ that is constant over time during a variable number N of periods. The quantities Mund N are represented as the states of one (or two) digital counters which count the periods of the oscillator. With the help of a comparison circuit (comparator) that state N of the counter is recorded in which both integrals are equal:

M/ιM / ι

NvNv

:d/: d /

Für eine während der Meßperiode konstante Meßgröße folgtFor a measured variable that is constant during the measuring period, follows

durch geeignete Wahl von R und Mkann TVaIs Maßzahl der Größe Y dargestellt werden. Im Fall einer zeitabhängigen Größe Y stellt N den zeitlichenby a suitable choice of R and M, TVaI's measure of quantity Y can be represented. In the case of a time-dependent variable Y , N represents the temporal one

ίο Mittelwert von Während der Zeit Af ρ dar.ίο mean value of during the time Af ρ.

Da die Größe R zeitlich konstant ist, wird das Referenzintegral nicht verändert, wenn die N Perioden, über die integriert wird, zeitlich nicht unmittelbar aufeinander folgen.Since the variable R is constant over time, the reference integral is not changed if the N periods over which the integration is carried out do not immediately follow one another in time.

π Ist Y von einer weiteren elektrischen oder nicht elektrischen Größe abhängig, Y(x) also die Ausgangsgröße eines Sensors für eine bestimmte Meßgröße x, so kann auch diese durch die genannten Verfahren ziffernmäßig dargestellt werden, sofern die Übertra-π If Y is dependent on a further electrical or non-electrical variable, Y (x) i.e. the output variable of a sensor for a certain measured variable x, then this can also be represented numerically using the methods mentioned, provided that the transmission

-'(i gungsfunktion des Sensors linear ist- '(i generation function of the sensor is linear

Für nichtlineare Sensorfunktionen können die bekannten Verfahren nicht ohne weiteres angewandt „werden. Es gibt eine Reihe von Vorschlägen, um die durch Nichtlinearität bedingten Fehler nachträglich zuThe known methods cannot easily be used for non-linear sensor functions "will. There are a number of suggestions for retrospectively correcting errors caused by non-linearity

>■> berücksichtigen. Auch Verfahren, bei denen Nichtlinearitäten der Sensoren unmittelbar bei der Analog-Digital-Umsetzung ausgeglichen werden, sind bekanntgeworden. Das wird z.B. in der DE-AS 1940 885 durch eine nichtlineare Umsetzungsfunktion erreicht, die> ■> take into account. Even methods in which non-linearities the sensors are compensated immediately during the analog-digital conversion, have become known. This is stated in DE-AS 1940 885, for example achieves a nonlinear translation function that

ίο dadurch verwirklicht wird, daß das Integrierglied nicht mit einem konstanten, sondern mit einem vom Zählerstand abhängigen Strom entladen wird. In der gleichen AS wird auch das Ändern der Taktfrequenz bei konstantem Entladestrom in Abhängigkeit vom Zähler-ίο is realized that the integrator does not is discharged with a constant, but with a current that depends on the meter reading. In the The same AS will also change the clock frequency with a constant discharge current depending on the counter

r> stand als weitere Möglichkeit zum Ausgleich der Nichtlinearität erwähnt. Beide Möglichkeiten sind aber in technischer Hinsicht nicht leicht durchzuführen.r> stood as a further possibility to compensate for the Mentioned non-linearity. However, both options are not easy to implement from a technical point of view.

Die Aufgabe war es daher, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, welche eine von einem nichtlinearen SensorThe task was therefore to create a circuit arrangement which one of a non-linear sensor

4(i aufgenommene Meßgröße nach einem der integrierenden Verfahren digital darstellt, wobei der technische Aufwand gering bleibt und die bekannten Vorteile der integrierenden Verfahren erhalten bleiben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,4 (i digitally represents the measured variable recorded according to one of the integrating methods, the technical effort remaining low and the known advantages of the integrating method being retained.
According to the invention, this object is achieved by

•r> daß der Integratorwiderstand aus der Kombination eines festen und eines oder mehrerer während der Referenzintegration zu- oder abgeschalteter Widerstände zusammengesetzt ist und die schaltbaren Teilwiderstände des Integratorwiderstandes mit Hilfe• r> that the integrator resistance from the combination one fixed resistor and one or more resistors that are switched on or off during the reference integration is composed and the switchable partial resistances of the integrator resistor with the help

r)0 von elektronischen Schaltern zu- oder abgeschaltet werden, welche in Abhängigkeit vom Zählstand des die Taktschläge in der Referenzphase zählenden Zählers gesteuert werden. r ) 0 are switched on or off by electronic switches, which are controlled as a function of the count of the counter that counts the clock beats in the reference phase.

Somit wird für die Darstellung jenes Anteils desThus, that part of the

π Meßwertes, der vom linearen Glied der Sensorfunktion bestimmt ist, ein und derselbe Integratorwiderstand in Meß- und Referenzphase verwendet. Toleranzen dieses Widerstandes haben auf die Genauigkeit der Darstellung dieses Anteils keinen Einfluß, sondern nur auf die π measured value, which is determined by the linear element of the sensor function, one and the same integrator resistor is used in the measurement and reference phase. Tolerances of this resistance have no influence on the accuracy of the representation of this part, but only on the

w) Genauigkeit des durch die Glieder höherer Ordnung der Sensorfunktion gegebenen Anteils des Meßwertes. Bei Sensoren mit geringer, relativer Nichtlinearität (Glieder höherer Ordnung klein gegenüber dem konstanten und dem linearen Glied der Sensorfunktion) kann ohne diew) Accuracy of the higher order terms of the Sensor function given proportion of the measured value. For sensors with low, relative non-linearity (terms higher order small compared to the constant and the linear term of the sensor function) can without the

hri Verwendung von genau abgeglichenen, temperatur- und langzeitkonstanten Widerständen eine sehr hohe Genauigkeit der Darstellung erreicht werden. With the use of precisely adjusted, temperature and long-term constant resistors, a very high level of accuracy can be achieved.

Ein Beispiel für einen nichtlinearen Sensor ist dasAn example of a non-linear sensor is that

Platinwiderstandsthermometer. Seine Sensorfunktion lautet:Platinum resistance thermometer. Its sensor function is:

Y = Yo(X + ixT-ßV) Y — Widerstand des Sensors
Yo = Widerstand bei 00C
xjß = Sensorkonstanten, wobei β klein gegen λ ist
T = Temperatur in 0C Y = Yo (X + ixT-ßV) Y - resistance of the sensor
Yo = resistance at 0 0 C
xjß = sensor constants, where β is small compared to λ
T = temperature in 0 C

Als Beispiel für die Schaltung eines Analog-Digital-Umsetzers diene die Schaltung der Zeichnung, der das Dual-Slope-Verfahren zugrunde liegt Die Integrationskonstante ist bei geschlossenen Schaltern 53 bis 56 gleich RiQ wobei Ri die Parallelschaltung der Widerstände A3 bis Λ7 darstellt Ist 51 geschlossen, 52 offen und 53 bis 56 geschlossen, wird das Zeitintegral über die Meßgröße I0Y während M Taktschlägen eines Oszillators der Periode ρ gebildet Da die Sensorfunktcon des Platinwiderstandsthermometers eine Parabel 2. Ordnung mit negativem quadratischem G'ied darstellt, muß die während der Referenzphase zu integrierende Größe eine Gerade mit negativer Steigung sein. Diese Forderung wird, ohne R0 zu variieren, erfüllt, wenn während der Referenzintegration die Schalter 53 bis 56 vom momentanen Zählerstand so gesteuert werden, daß der Leitwert der Parallelschaltung von Λ 3 bis Λ 6 eine lineare Treppenfunktion ergibt. Dies wird genügend genau erreicht wenn die Widerstände R 3 bis R 6 dualgewichtet sind, d.h. nach Zweierpotenzen gestuft sind:The circuit in the drawing, based on the dual-slope method, serves as an example for the circuit of an analog-digital converter.The constant of integration is RiQ when switches 53 to 56 are closed, where Ri represents the parallel circuit of resistors A3 to Λ7, when 51 is closed , 52 open and 53 to 56 closed, the time integral is formed from the measured variable I 0 Y during M beats of an oscillator of the period ρ the variable to be integrated must be a straight line with a negative slope. This requirement is met without varying R 0 if, during the reference integration, the switches 53 to 56 are controlled by the current count so that the conductance of the parallel connection from Λ 3 to Λ 6 results in a linear step function. This is achieved with sufficient accuracy if the resistances R 3 to R 6 are dual-weighted, i.e. are graded according to powers of two:

so daßso that

/?6 = 2R5 = 4 R4 = S R3, /? 6 = 2R5 = 4 R4 = S R3,

15
R615th
R6

ist, wenn alle Schalter 53 bis 56 geschlossen sind.is when all switches 53 to 56 are closed.

Die Schalter 53 bis 56 werden von den Ausgängen eines (in der Zeichnung nicht dargestellten) dualen 4-bit-Abwärtszählers (wegen des negativen Vorzeichens des quadratischen Gliedes von Y) gesteuert, wobei 56 mit dem niederwertigsten Bit verbunden ist. Dieser 4-bit-Abwärtszähler steht während einer festen Anzahl N0 von Taktschlägen der Referenzintegration auf seinem höchsten Zählstand. Das entspricht dem linearen Teil der Sensorfunktion. Erst mit Überschreiten des Zählstandes N0 wird der duale 4-bit-Abwärtszähler in Funktion gesetzt Da aber der Koeffizient des quadratischen Gliedes der Sensorfunktion für Platin recht klein ist, müssen nicht bei jedem Taktschlag Widerstände R 3 bis R 6 ab- oder/und zugeschaltet werden, sondern es genügt, wenn der Zählstand des Dualzählers erst nach jeweils k Taktschlägen um den Betrag 1 vermindert wird. Das Verhältnis R 6/Ä,und der Wert k ist durch die Größe α und β gegeben.
Die Funktion des Schaltungsbeispiels der Zeichnung wird im einzelnen beschrieben:The switches 53 to 56 are controlled by the outputs of a (not shown in the drawing) dual 4-bit down counter (because of the negative sign of the square term of Y) , where 56 is connected to the least significant bit. This 4-bit down counter is at its highest count during a fixed number N 0 of clock beats of the reference integration. This corresponds to the linear part of the sensor function. The dual 4-bit down counter is only activated when the counter value N 0 is exceeded.However, since the coefficient of the square term of the sensor function for platinum is quite small, resistors R 3 to R 6 do not have to be switched off and / or switched on with every clock beat it is sufficient if the count of the binary counter is only decreased by the amount 1 after every k clock beats. The ratio R 6 / Ä, and the value k is given by the quantities α and β.
The function of the circuit example in the drawing is described in detail:

Zur Messung der Temperatur dient der Sensor 2, der ebenso wie der Referenzwiderstand 1 vom Konstantstrom Io durchflossen wird. Der Sensor 2 und derSensor 2 is used to measure the temperature, through which, like reference resistor 1, constant current Io flows. The sensor 2 and the

to Referenzwiderstand 1 können über elektronische Schalter 51 bzw. 52 an den Eingang eines Operationsverstärkers 3 geschaltet werden. Der Widerstand R 7, der Kondensator C und der Verstärker 4 bilden zusammen den Integrator.The reference resistor 1 can be connected to the input of an operational amplifier 3 via electronic switches 51 and 52, respectively. The resistor R 7, the capacitor C and the amplifier 4 together form the integrator.

Die Widerstände R 3 bis R 6 können durch die entsprechenden elektronischen Schalter 53 bis 56 parallel zum Widerstand Rl geschaltet werden. Sämtliche elektronischen Schalter 51 bis 56 werden von einem nicht dargestellten digitalen Steuerwerk nebst logischem Netzwerk gesteuert Ebenfalls nicht dargestellt in der Zeichnung sind die Zähler, sowie die in der Digital- und Uhrentechnik bekannten Umsetzer in Dezimalzahlen.The resistors R 3 to R 6 can be connected in parallel to the resistor Rl by the corresponding electronic switches 53 to 56. All electronic switches 51 to 56 are controlled by a digital control unit (not shown) together with a logical network. The drawing also does not show the counters and the converters to decimal numbers known in digital and clock technology.

Vor Beginn der Messung sei der Kondensator C Before starting the measurement, let the capacitor C be

2") entladen. Während der Meßintegration ist der Schalter 52 geöffnet, alle anderen Schalter sind geschlossen.2 "). The switch is on during measurement integration 52 open, all other switches are closed.

Während MTaktschlägen wird die Meßspannung Y ■ /„ aufintegriert.The measuring voltage Y ■ / "is integrated during M cycle beats.

Während der Referenzintegration, bei der zuerst dieDuring the reference integration, in which the

!ο Schalter 52 bis 56 geschlossen und der Schalter 51 offen sind, wird zuerst die gegensinnig gepolte Referenzspannung I0 ■ Rn während N0 Taktschlägen abintegriert. Im Verlauf der weiteren Rtierenzintegration während der nächsten N-N0 Taktschläge werden! ο switches 52 to 56 are closed and switch 51 is open, the oppositely polarized reference voltage I 0 ■ R n is first integrated during N 0 clock pulses. In the course of the further integration during the next NN 0 beats will be

r> vom Steuerwerk die Schalter 53 bis 56 in einer Weise geöffnet und geschlossen, daß der Leitwert der Parallelschaltung der Widerstände R3 bis R7 von seinem Höchststandr> from the control unit the switches 53 to 56 are opened and closed in such a way that the conductance of the parallel connection of the resistors R 3 to R7 reaches its maximum level

MRi= \/R7 + 15/Λ6 MRi = \ / R7 + 15 / Λ6

aus stufenweise (nach jeweils k Taktschlägen) um 1/Ä6 und damit eine lineare Funktion des Zählerstandes annähen.from gradually (after every k beats) by 1 / Ä6 and thus sew on a linear function of the counter reading.

Das Ende der Referenzintegration und damit derThe end of the reference integration and thus the

4> Zählerstand N wird vom Komparator 5 bestimmt, der feststellt, wann der Kondensator C wieder entladen ist. N ist der Meßwert und zwar im Beispiel des Platinwiderstandsthermometers ein Maß für die Temperatur. N wird durch bekannte elektronische Bauele-4> Count N is determined by the comparator 5, which determines when the capacitor C is discharged again. N is the measured value and, in the example of the platinum resistance thermometer, a measure of the temperature. N is generated by well-known electronic components

-io mente in Dezimalziffern umgesetzt, die die gemessene Temperatur dastellen.-io ments converted to decimal digits that represent the measured Display temperature.

Hierzu I Blatt ZeichnungenFor this purpose I sheet drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Schaltungsanordnung zur digitalen Darstellung einer von einem nichtlinearen Sensor erfaßten analogen elektrischen oder nicht elektrischen Größe unter Anwendung des an sich bekannten Dual-slope-Integrationsverfahrens, wobei die Linearisierung der Sensorfunktion dadurch erreicht wird, daß während der Referenzintegration die zu integrierende Größe zeitabhängig verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Integratorwiderstand aus der Kombination eines festen und eines oder mehrerer, während der Referenzintegration zu- oder abgeschalteter Widerstände zusammengesetzt ist und die schaltbaren Teilwiderstände des Integratorwiderstandes mit Hilfe von elektronischen Schaltern zu- oder abgeschaltet werden, welche in Abhängigkeit vom Zählerstand des die Taktschläge in der Referenzphase zählenden Zählers gesteuert werden.1. Circuit arrangement for the digital representation of a detected by a non-linear sensor analog electrical or non-electrical quantity using the per se known dual-slope integration method, the linearization of the sensor function is achieved in that during the reference integration the variable to be integrated is changed as a function of time, characterized in that, that the integrator resistance is made up of the combination of a fixed and one or more, added during the reference integration. or disconnected resistors and the switchable partial resistances of the integrator resistor can be switched on or off with the help of electronic switches, which depend on the count of the beats are controlled in the reference phase counting counter. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem festen Teil des Integratorwiderstandes dualgewichtete, parallelgeschaltete Teilwiderstände von elektronischen Schaltern zu- oder abgeschaltet werden und diese Schalter von einem Dualzähler direkt gesteuert werden.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the fixed part of the integrator resistor dual-weighted, parallel-connected partial resistances from electronic switches or switched off and these switches are controlled directly by a dual counter. 3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein nichtlinearer Temperaturaufnehmer ist3. Circuit arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that the sensor is a is a non-linear temperature sensor 4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Platinwiderstandsthermomeier mit quadratischer Kennlinie verwendet wird.4. Circuit arrangement according to claims 1 to 3, characterized in that a sensor Platinum resistance thermometer with a square characteristic is used.
DE2616224A 1975-04-18 1976-04-13 Circuit arrangement for the digital representation of measured variables recorded with non-linear sensors Expired DE2616224C3 (en)

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DE2616224A1 DE2616224A1 (en) 1976-10-21
DE2616224B2 DE2616224B2 (en) 1978-10-05
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