DE2821146B2 - Circuit arrangement for converting the electrical output signal of a non-linear transducer into a value proportional to the measured physical quantity - Google Patents
Circuit arrangement for converting the electrical output signal of a non-linear transducer into a value proportional to the measured physical quantityInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des A--Spruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of A-claim 1.
Zwei-Flanken-Analog-Digital-Umsetzer sind bekannt. Sie werden hauptsächlich zur Messung elektrischer und zur elektrischen Messung nichtelektrischer Größen angewendet. Das »Dual-Slopc«-Verfahren bildet einen streng linearen Zusammenhang zwischen der analogen Eingangsspannung und der digitalen Ausgangsinformation. Ist der Verlauf der Eingangsspannung nichtlinear über der zu messenden Größe (z. B. Spannung verläuft nichtlinear über der gemessenen Temperatur), so zeigt die digitale Ausgangsinformation ebenfalls diesen nichtlinearen Verlauf.Two-edge analog-to-digital converters are known. They are mainly used to measure electrical and used for the electrical measurement of non-electrical quantities. The "dual slopc" method forms a strictly linear relationship between the analog input voltage and the digital one Output information. If the course of the input voltage is non-linear over the quantity to be measured (e.g. Voltage runs non-linearly over the measured temperature), this is how the digital output information shows also this non-linear course.
Ein Beispiel für einen derartigen Meßwertaufnehmer ist ein temperaturabhängiger Meßwiderstand, dessen Widerstandswert in guter Näherung einen linear und einen quadratisch von der Temperatur abhängigen Anteil aufweist. Nach dem bekannten Verfahren wird die von einem mit dem Meßwertaufnehmer verbundenen Meßwert-Spannungs-Umformer gelieferte Eingangsspannung in einer ersten Auswertphase mittels eines Analog-Digital-Umformers während einer bekannten Zeitspanne integriert. Nach Ablauf dieser Zeitspanne wird die Eingang des Analog-Digital-Umformers an eine bekannte BezugssDannung gelegt, und es erfolgt in einer zweiten Auswertphase eine Abwärtsintegration bis zum Ausgangspunkt der ersten Auswertphase. Während dieser Abwärlsinlegration wird die Zeit gemessen. Das Verhältnis der bckannlcn Aufwärts- Integrationszeit zur Abwärts- Integra ι ions/cit ist nun proportional /.um Verhältnis der bekannten Bczugsspannung zu der zu messenden Eingangsspannung. Vorteilhaft ist dabei, dal) für beide Auswcrtphascn dieselben Bauteile und dieselbe Zeilbasis verwendet wird, so dall sich deren Toleranzen eliminieren. Schwankungen der Zählfrequenz wirken sich ebenfalls nicht aus, wenn nur die Frequenz während eines kompletten Meßzyklus konstant bleibtAn example of such a transducer is a temperature-dependent measuring resistor, its Resistance value as a good approximation one linear and one quadratically dependent on the temperature Has proportion. According to the known method, the is connected to the transducer by a Measured value voltage converter supplied input voltage in a first evaluation phase by means of of an analog-to-digital converter integrated during a known period of time. After this Time span, the input of the analog-digital converter is connected to a known reference voltage, and In a second evaluation phase, there is a downward integration up to the starting point of the first Evaluation phase. During this downward integration, the time is measured. The relationship of the bckannlcn Upward integration time to downward integration / cit is now proportional /. to the ratio of the known Reference voltage to the input voltage to be measured. It is advantageous here that the same components and the same cell base are used for both output phases so that their tolerances are eliminated. Fluctuations in the counting frequency also have an effect not off if only the frequency remains constant during a complete measuring cycle
Bei diesem bekannten Verfahren können jedoch ί infolge der direkten Analog-Digital-Umformung, die zum analogen Eingangswert einen proportionalen Digitalwert liefert, recht große Meßfehler auftreten, ^wenn es sich um Meßwertaufnehmer mit quadratisch oder stärker gekrümmten Kennlinien handelt Bisher ίο werden diese Fehler meist analog durch nichtlineare Verstärker oder digital durch Manipulation der Ausgangswerte so klein wie möglich gehalten. Die Verwirklichung beider Möglichkeiten ist relativ aufwendig. Die Verwendung nichtlinearer Verstärker ist ι j überdies wegen deren Temperaturabhängigkeit schwierig- In this known method, however, ί due to the direct analog-digital conversion, the supplies a digital value proportional to the analog input value, very large measurement errors occur, ^ when it comes to transducers with square or more strongly curved characteristics ίο these errors are mostly analogue through non-linear amplifiers or digital through manipulation of the Starting values kept as small as possible. Realizing both options is relatively complex. The use of non-linear amplifiers is also difficult because of their temperature dependence.
Es ist ferner ein Linearisierungsverfahren bekanntA linearization method is also known
(Elektronik [1976], Heft 4, Seite 45 und 46), bei welchem zur Erzielung eines nichtlinearen Zusammenhangs(Electronics [1976], No. 4, pages 45 and 46), in which to achieve a non-linear relationship
2« während der Referenzintegration der Leitwert des Integrationsnetzwerkes stufenweise verändert wird.2 «the conductance of the integration network is changed in stages during the reference integration.
Die hierfür erforderliche Schaltungsanordnung ist wegen der benötigten steuerbaren Schalter aufwendig und darüber hinaus bei Verwendung von Halbleiter-The circuit arrangement required for this is complex because of the controllable switches required and, moreover, when using semiconductor
2Ί schaltern temperaturabhängig. 2Ί switches depending on temperature.
Im Zusammenhang mit einem Warngerät zur Schädlingsbekämpfung (DE-OS 22 34 419) wurde ferner ' zur nichtlinearen Anaiog-Digitalumsetzung allgemein vorgeschlagen, die Referenzspannung während der «ι Entladezeit entsprechend der gewünschten Nichtlinearität zu verändern, ohne jedoch hierbei anzugeben, in welcher Weise und mit welchen Mitteln die angestrebte Änderung erfolgen soll.In connection with a warning device for pest control (DE-OS 22 34 419) was also 'generally proposed for non-linear analog-digital conversion, the reference voltage during the «Ι to change the discharge time in accordance with the desired non-linearity, without, however, specifying in in what way and with what means the desired change is to be made.
Durch die Erfindung soll die Linearisierung de* ti digitalen Ausgangssignals der eingangs genannten Schaltungsanordnung mit geringerem schaltungstechnischem Aufwand als bisher erzielt werden.The invention is intended to linearize de * ti digital output signal of the circuit arrangement mentioned at the beginning with less circuitry Effort than before.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Maßnahmen gelöst.This object is achieved according to the invention by the measures specified in the characterizing part of claim I. solved.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.A further development of the invention is the subject matter of claim 2.
Es versteht sich, daß die zur Teilung der Meßspannung nach Anspruch 1 vorgesehenen Widerstände ■r. durch al'e eine Widerstandswirkung der erforderlichen Art erbringend -m Schaltungen oder !Schaltelemente realisiert werden können.It goes without saying that the resistors provided for dividing the measuring voltage according to claim 1 ■ r. by al'e a resistance effect of the required Type -m circuits or! Switching elements can be realized.
Bei dem allgemein bekannten Dual-Slopc-VerfahrenWith the well-known dual slopc method
ergibt sich der Zusammenhang zwischen der zuthere is the connection between the to
κι messenden Eingangsspannung Un der Bczugsspannung Unff und dem gelieferten Digitalwcrt /; aus folgender Gleichung:κι measuring input voltage U n the reference voltage Unff and the supplied digital word /; from the following equation:
JRef J Ref
Dabei ist ρ ein Proportionalitälsfaklor.
Für die Schaltungsanordnung gem. der Erfindung gellen die folgenden Gleichungen:Here ρ is a factor of proportionality.
The following equations apply to the circuit arrangement according to the invention:
η = η =
undand
wobeiwhereby
k-Ux+URrf
I + fc kU x + U Rrf
I + fc
n der Heziigsspiinnungsqiielle gcliefer-n the historical spinning sources
te Spannung, L/W die von der Eingangsspannung
überlagerte tatsächliche Bezugsspannung und k das Verhältnis der Widerstandswerte der beiden ohmschen
Widerstände ist.
Daraus folgtte voltage, L / W is the actual reference voltage superimposed by the input voltage and k is the ratio of the resistance values of the two ohmic resistances.
It follows
η =η =
PdPd
k-Uw+ U1 kU w + U 1
Ux U x
(4)(4)
KeIKeI
Durch Wahl des Faktors k, also des Verhältnisses der beiden Widerstandswerte, kann die Umsetzungskennlinie in weitgehend beliebiger Weise verkrümmt werden.By choosing the factor k, that is to say the ratio of the two resistance values, the conversion characteristic can be bent in a largely arbitrary manner.
Die Ableitung der Gleichung (4) zeigt folgende Abhängigkeit von der Eingangsspannung Ux: The derivation of equation (4) shows the following dependency on the input voltage U x :
d/i = p(\+k)-U„ rf dUx (k -Ux+UReJf d / i = p (\ + k) -U " rf dU x (k -U x + U ReJ f
(5)(5)
Hat der verwendete Mcßwcriaufnehmcr cine progressive Kennlinie, deren Steigung mit wachsenden ><i Meßwerten zunimmt, so muß im gleichen Ausmaß die Bezugsspannung zunehmen. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird demnach die Bezugsspannung durch einen Teil der Eingangsspannung überlagert und vergrößert sich entsprechend. r,Does the media recording used have cine progressive Characteristic curve, the slope of which increases with increasing> <i measured values, must be to the same extent the Increase reference voltage. In the circuit arrangement according to the invention, the reference voltage is accordingly superimposed by part of the input voltage and increases accordingly. r,
Hat jedoch der Meßwertaufnehmer eine degressive Kennlinie, so muß die Eingangsspannung durch einen Umkehr-Verstärker invertiert und sodann der Bezugsspannung überlagert werden. So wird erreicht, daß die Bezugsspannung mit wachsender Eingangsspannung «> kleiner wird.However, if the transducer has a degressive characteristic, the input voltage must be through a Reversing amplifier can be inverted and then superimposed on the reference voltage. In this way it is achieved that the Reference voltage with increasing input voltage «> gets smaller.
In beiden Fällen werden die durch die Kennlinie des Meßwert-Aufnehmers bedingten Meßfehler verschwindend klein.In both cases, the measurement errors caused by the characteristic curve of the transducer vanish small.
Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele ji der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung näher erläutert.Exemplary embodiments ji the circuit arrangement according to the invention explained in more detail.
Gemäß Fig. 1 ist ein als Meßwertaufnehmer dienendes Thermoelement 10 an die beiden Eingänge 12 und 14 eines Vorverstärkers 16 angeschlossen. Ein ^o erster Ausgang 18 des Vorverstärkers 16 ist über eine Leitung 20 mit einem ersten Eingang 22 eines Analog-Digital-Umformers 24 verbunden. Ein zweiter Ausgang 26 des Vorverstärkers 16 ist mit Erde 28 verbunden.According to FIG. 1, a thermocouple 10 serving as a measured value sensor is connected to the two inputs 12 and 14 of a preamplifier 16 are connected. A ^ o The first output 18 of the preamplifier 16 is via a line 20 with a first input 22 Analog-digital converter 24 connected. A second output 26 of the preamplifier 16 is connected to ground 28 tied together.
Eine Festspannungsquelle 30 liefert eine konstante Spannung LWund ist mit einer Klemme an Erde 32 und mit der anderen Klemme an eine Reihenschaltung von zwei ohmschen Widerständen 34 und 36 angeschlossen. Der erste ohmsche Widerstand 34 hat einen Widerstandswert k ■ R und der zweite ohmsche Widerstand 36 hat den Widerstandswert R. Der zweite ohmsche Widerstand 36 ist zwischen den ersten Eingang 22 und den zweiten Eingang 38 des Analcg-Digital-Umformers 24 geschaltet. Am Ausgang 40 des Analog-Digital-Umfnrmers 24 wird die Digitalanzeige η erzeugt, die dem gemessenen Wert entspricht.A fixed voltage source 30 supplies a constant voltage LW and has one terminal connected to earth 32 and the other terminal to a series circuit of two ohmic resistors 34 and 36. The first ohmic resistor 34 has a resistance value k · R and the second ohmic resistor 36 has the resistance value R. The second ohmic resistor 36 is connected between the first input 22 and the second input 38 of the analog-to-digital converter 24. The digital display η , which corresponds to the measured value, is generated at the output 40 of the analog-digital converter 24.
Auf den ersten Eingang 22 des Umformers 24 wird die vom Vorverstärker 16 gelieferte Eingangsspannune Ux während einer ersten Auswertphase gegeben und integriert. Sodann wird der im Umformer 24 enthaltene Integrator auf den zweiten Eingang 38 umgeschaltet, auf den die durch die Eingangsspannung f./, über den Widerstand 36 modifizierte Be;.ugsspannung L/W gegeben wird. Sodann erfolgt eine Abwärtsintegration bis zum Ausgangspunkt der ersten Auswenphase, wobei die Zeit dieser Abwänsiniegraiion während der zweiten Auswertphase gemessen wird. Aus dem Verhältnis der beiden I ntegrat; Eiszeiten und der bekannten Spannung LW wird sodann 3er zu messende Digitalwert π im Analog-Digital-Umformer24 ermittelt. The input voltage U x supplied by the preamplifier 16 is applied to the first input 22 of the converter 24 during a first evaluation phase and integrated. The integrator contained in the converter 24 is then switched over to the second input 38, to which the input voltage L / W modified by the input voltage f /, via the resistor 36 is given. Then there is a downward integration up to the starting point of the first evaluation phase, the time of this decrease curve being measured during the second evaluation phase. From the relationship between the two integrat ; Ice ages and the known voltage LW, the digital value π to be measured is then determined in the analog-digital converter24.
Für den Fall, daß k=0 ist, ergibt sich aus dieser Schaltanordnung die bekannte Anordnung des Zwei-Flank^n-A/D-Umsetzers mit fester Bezugsspannurg.In the event that k = 0 , this switching arrangement results in the known arrangement of the two-edge A / D converter with a fixed reference voltage.
Mat jedoch der Meßwertaufnehmer 10 eine degressive Kennlinie, so wird die Schaltungsanordnung gem. Fig.2 verwendet. Hier sind gleiche Bezugszeichen lür gleiche oder entsprechende Teile -verwendet wie in Fig. 1. Der Meßwert-Aufnehmer ist jedoch nicht ein Thermoelement, sondern ein Widersland 10 mit negativem Temperalurkoeffizienien. Statt des Vorverstärkers ist hier ein Widcrslands-Spannungs-Umformer Io vorgesehen. Die einzige wesentliche· Änderung gegenüber der Schaltung gemäß F i g. I ist die Einfügung eines Umkehr-Verstärkers 42 zwischen den Ausgang 18 des Umformers 16 und den Widersiand 36. wobei der Umkehr-Verstärker 42 und der Widerstand 36 in Reihe zwischen den beiden Eingängen 22 und 38 des Analog-Digital-Umformers 24 liegen. Durch den L'.nkehr-Verstärker 42 wird die Eingangsspannung Ux invertiert und erst dann der Bezugsspannung überiagert, so daß die Bezugsspannung mit wachsender Eingangsspannung kleiner wird, wie es bei degressiver Kennlinie erforderlich ist. Im übrigen entsprient diese zweite Ausführungsform der Schaltanordnung genau der anhand von F i g. 1 beschriebenen Schaltanordnung.If, however, the measured value sensor 10 has a degressive characteristic curve, the circuit arrangement according to FIG. 2 is used. The same reference numerals are used here for the same or corresponding parts as in FIG. 1. However, the measured value pick-up is not a thermocouple, but an opposing element 10 with a negative temperature coefficient. Instead of the preamplifier, a Widcrslands voltage converter Io is provided here. The only significant change compared to the circuit according to FIG. I is the insertion of an inverting amplifier 42 between the output 18 of the converter 16 and the resistor 36. The inverting amplifier 42 and the resistor 36 are in series between the two inputs 22 and 38 of the analog / digital converter 24. The input voltage U x is inverted by the reversing amplifier 42 and only then is superimposed on the reference voltage, so that the reference voltage becomes smaller as the input voltage increases, as is necessary with a degressive characteristic. Otherwise, this second embodiment of the switching arrangement arises precisely from that based on FIG. 1 described switching arrangement.
Hierzu I Blatt ZeichnungenFor this purpose I sheet drawings
Claims (2)
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