DE2952311C2

DE2952311C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen einer Meßspannung in einen digitalen Wert

Info

Publication number: DE2952311C2
Application number: DE2952311A
Authority: DE
Inventors: Manfred Ing.(grad.) 6108 Weiterstadt Kreuzer
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1979-12-24
Filing date: 1979-12-24
Publication date: 1982-11-04
Also published as: DE2952311A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen mindestens einer Meßspannung in einen digitalen Wert nach dem Nachlaufprinzip mit einer Kompensationsgröße, wobei der Mittelwert der Kompensationsgröße durch ihr Tastverhältnis bestimmt wird und nach Addition von Meßspannung und Kompensationsgröße der Gleichspannungsanteil ausgefiltert wird und eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Schaltung.

Häufig müssen Meßspannungen als analoge Signale zur Weiterverarbeitung in Digitalwerte umgesetzt werden. Dies geschieht mit Analog-Digital-Umsetzern (im folgenden ADU genannt). Es sind eine Vielzahl verschiedenartiger selbsttätiger ADU bekannt. Wesentliche Nachteile der bekannten ADU's sind vor allem darin zu sehen, daß es kleine, preiswerte und schnell arbeitende ADU nur für geringe Auflösungen und Genauigkeiten von etwa 8 bis 12 Bit gibt. Zur Erzielung hoher Auflösungen von mehr als 17 Bit — das entspricht mehr als 100 000 d — sind sehr aufwendige Schaltungen notwendig, die außerdem nur eine sehr niedrige Meßrate besitzen.

Aus der DE-OS 23 50 802 ist ein Kompensationsverfahren bekannt, bei dem das Tastverhältnis direkt aus der Anschaltung der positiven bzw. negativen Amplitude abgeleitet wird. Dabei existiert kein Endzustand der Kompensation, in dem die rückgekoppelte Spannung Null ist, vielmehr schwankt die Kompensationsspannung um einen Mittelwert Null. Das Verfahren muß hochfrequent arbeiten, da niedrige Taktfrequenzen zu riesigen positiven und negativen Werten führen würden. Der Nullkanal ist ständig in Bewegung, da er auszählen muß, daher ist die Genauigkeit nur so groß, wie ausgezählt werden kann, z. Zt. etwa also im MHz-Bereich. Das Meßsignal wird dabei nicht über einen Takt gewonnen sondern durch eine Integration über viele Takte, die Auflösung des Verfahrens ist somit proportional zur Auszählzeit und zur Frequenz. Das zeitliche Verhältnis der Einschaltung der negativen zur positiven Bezugsspannung innerhalb eines vorgebbaren Abtastintervalls ist über mehrere Zyklen nicht konstant, sondern schwankt geringfügig, das Abtastintervall muß sehr groß sein, wenn die Auflösung hinreichend sein soll. Erst dann ist der Zählerstand ein Maß für die über diesen Zeitraum im Mittel anliegende Spannung. Bei hoher Auflösung ist infolge des damit notwendig verbundenen langen Abtastintervalls nur eine geringe Datenrate möglich.

Aus »Der Elektroniker« Nr. 3, 1974 EL 11 bis EL 17 ist eine Schaltung mit zwei Zählern bekannt, die einen Digital-Analog-Konverter ansteuern. Eine derartige Schaltung erlaubt eine erheblich höhere Umsetzungsgeschwindigkeit als eine Schaltung mit nur einem Zähler. Dabei ist jedoch vorausgesetzt, daß die Wertigkeiten der Grobstufen des Digital-Analog-Konverters mit einem Fehler behaftet sind, der kleiner sein muß, als die niedrigste Feinstufe des Digital-Analog-Konverters. Es kann also lediglich ein in sich genau abgeglichener

Digital-Analog-Konverter verwendet werden, eine Aufspaltung in zwei Digital-Analog-Konverter kommt aus Genauigkeitsgründen nicht in Frage. Damit ist diese Schaltung, wie oben bereits ausgeführt, aus technischen Gründen nur für geringe Auflösungen einsetzbar. Die Schaltung besitzt also zwar zwei unterschiedliche Nachstellungsgeschwindigkeiten, jedoch keine zwei unabhängigen Kompensationsgrößen. Weiterhin setzt diese Schaltung voraus, daß die Totzeit des Digital- Ana-Iog-Konverters deutlich kleiner ist, als eine Periode der Clockzeit, da die Schaltung sonst Regelschwingungen ausführen wurde und nicht zum Abgleich käme bzw. über den Abgleichswert hinaus »Überschwingen« würde. Damit muß der Digital-Analog-Konverter in der Praxis als geschaltetes Widerstandsnetzwerk ausgeführt sein, der Einsatz eines beliebigen Digital-Analog-Konverters zerstört die Wirkungsweise der Schaltung.

Aus der DE-OS 20 53 041 ist ein Digital-Analog-Wandler bekannt, der nicht kompensiert, sondern lediglich mittels einer Impuls-Breiten-Modulation einen digitalen Wert in einen analogen Wert umsetzt. Ein solcher Digital-Analog-Wandler ist besonders — weil hierbei keine extremen Umwandlungsgeschwindigkeiten gefordert werden — bei Lichtsteueranlagen für Bühne und Fernsehen einsetzbar. Gegenüber herkömmlichen Digital-Analog-Wandlern, die mit einem geschalteten Widerstandsnetzwerk arbeiten, arbeitet das diesem Digital-Analog-Wandler eigentümliche Umwandlungsprinzip nämlich relativ langsam. Daraus ergibt sich auch, daß der Einsatz eines Digital-Analog-Wandlers, wie er in der DE-OS 20 53 041 beschrieben ist, in eine Schaltung gemäß dem »Elektroniker« Ni.3, 1974 ELIl bis EL 17 zu einer nicht funktionsfähigen Schaltung führen würde, da Totzeiten entsprechend der Periodendauer der Pulsfrequenz auftreten und die gesamte Schaltung somit infolge Regelschwingungen nicht zum Abgleich kommen würde.

Diesem Stand der Technik gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen eines analogen Signals in einen digitalen Wert zu schaffen, die mit sehr geringem technischem Aufwand eine Auflösung von 17 bis 20 Bit - das entspricht 100 000 d bis 1 Million d — erreichen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kompensationsgröße aus mindestens zwei Kompensationsgrößen unterschiedlicher Wertigkeit zusammengesetzt ist, welche Rechtecksignale mit fester Frequenz und einstellbarem Tastverhältnis sind und daß die Tastverhältnisse beim Abweichen des Gleichspannungsanteils von Null derart verändert werden, daß der Gleichspannungsanteil zu Null geht.

Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein Nachlaufsystem handelt, das dem Meßwert fast kontinuierlich folgen kann, kann jederzeit der digitale Wert abgefragt werden. Infolge der Aufspaltung des Kompensationswertes in zwei Teile sind trotz der hohen Auflösung hohe Meßraten möglich.

Zur Durchführung des Verfahrens für eine Meßspannung, wobei die Meßspannung und die Kompensationsgröße jeweils den Eingängen eines Addierers zugeführt werden, und die Kompensationsgröße über einen Schalter mit zwei Spannungsquellen unterschiedlicher Spannung hergestellt ist, wobei der Ausgang des Addierers über einen Tiefpaßfilter einen Nullindikator ansteuert, ist es besonders vorteilhaft, daß mit dem Nullindikator eine Logikschaltung verbunden ist, von der die Tastverhältnisse mindestens zweier Rechteckgeneratoren, deren Tastverhältnlsse digital erfaßbar sind, veränderbar sind, und daß die Rechteckgeneratoren Schalter ansteuern, mit deren Hilfe Ausgangssignale unterschiedlicher Wertigkeit erzeugt werden. Für die Umsetzung mehrerer Meßspannungen in digitale Werte ist es besonders preisgünstig und vorteilhaft, wenn in einer ähnlichen Schaltung mit den Nullindikatoren eine Logikschaitung verbunden ist, von der die Tastverhältnisse je mindestens zweier Rechteckgeneratoren, deren Tastverhältnisse digital erfaßbar sind, veränderbar sind, und daß die Rechteckgeneratoren Schalter ansteuern, mit deren Hilfe Ausgangssignale unterschiedlicher Wertigkeit erzeugt werden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Figuren zeigen schematisch beispielsweise Ausführungen der Erfindung. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens für eine Meßspannung,

Fig. 2 eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens für mehrere Meßspannungen.

In F i g. 1 wird eine Meßspannung U_n, einem Eingang eines Addierers 1 zugeführt, dessen andere Eingänge von der bzw. den Kompensationsspannungen beaufschlagt werden. Die Meßspannung U_n, kann beispielsweise von einem Wegaufnehmer oder einem Kraftaufnehmer abgegeben werden. Der Ausgang des Addierers 1 ist mit einem Tiefpaßfilter 2 verbunden, das lediglich den Gleichspannungsanteil — d. h. den Mittelwert — jo der Summe aus Meßspannung und Kompensationsspannung hindurchläßt. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 2 beaufschlagt einen Nullindikator 3, der dann Signale abgibt, wenn der Gleichspannungsanteil ungleich Null ist. Der Nullindikator 3 kann beispielsweise ein Jj Nullkomparator oder ein ADU sein. Im Ausführungsbeispiel sei der Nullindikator 3 beispielsweise der ADU 3, der beispielsweise (in der Figur nicht dargestellt) aus einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer und einem Zähler bestehen kann. Falls der Gleichspannungsanteil des Tiefpaßfilters 2 Null ist, bzw. kleiner ist als die Ansprechschwelle des ADU 3, gibt dieser kein Signal ab. Ist der Gleichspannungsanteil ungleich Null, gibt der ADU 3 dem Vorzeichen des Gleichspannungsanteils entsprechende Impulse an eine Logikschaltung 4 ab, die einerseits eine Anzeige 10 und andererseits zwei Rechteckgeneratoren 5 und 6 ansteuert, die im Ausführungsbeispiel als Timerbausteine ausgeführt sind. Zweckmäßigerweise ist die Logikschaltung 4 ein Mikroprozessor. Die Timerbausteine 5 und 6 sind mit Schaltern 7 und 8 verbunden, die jeweils zwei Spannungen LW und -LW bzw. LW und —R_2rerauf Eingänge des Addierers 1 schalten, wobei zwischen Schalter 7 und Addierer 1 noch ein Abschwächer 9 eingebaut ist Selbstverständlich kann der Abschwächer 9 auch zwischen den Spannungsqueilen LWund —U\_rer und dem Schalter 7 eingebaut sein. Die doppelte Ausführung der Timerbausteine 5 und 6 und der Schalter 7 und 8 dient lediglich zur Erhöhung der Auflösung des Umsetzungsverfahrens und ist nicht bo unbedingt notwendig. Der Mikroprozessor 4 kann also in einer einfacheren Ausführung auch lediglich mit einem Timerbaustein 5 und einem Schalter 7 verbunden sein, der dann die beiden Spannungsqueilen LW und — Uirerdirekt an den zweiten Eingang des Addierers 1 t>5 anlegt.

Die Funktionsweise der in der F i g. 1 gezeigten Schaltung ist folgendermaßen:

Die MeßspannunE U_n, wird im Addierer 1 mit der

bzw. den Kompensationsspannungen addiert, die im Ausführungsbeispiel eine getastete Rechteckwechselspannung ist bzw. aus zwei getasteten Rechteckwechselspannungen unterschiedlicher Wertigkeiten besteht. Der Gleichspannungsanteil der Kompensationsspannung ist dabei also von der Ansehaltdauer von U\_rcrund — U\rc( abhängig. Der Gleichspannungsanteil ist maximal, falls während einer Meßperiode U\_refd\e ganze Zeit angeschaltet ist. er ist Null falls LWund -LW gleiche Zeiten angeschaltet sind und er ist minimal falls ~U\n.-r die ganze Zeit angeschaltet ist. Wenn der Gleichspannungsanteil ungleich Null ist, gibt der ADU 3 an den Mikroprozessor 4 eine von Null abweichende Information ab. Je nach Polarität dieser Information korrigiert der Mikroprozessor 4 das Tastverhältnis des Timerbausteins 5 bzw. des Timerbausteins 6 derart, daß der Gleichspannungsanteil der Kompensationsspannungen größer oder kleiner wird, so daß sich der Gleichspannungsanteil aus der Summe der Meßspannung und der Kompensationsspannungen Null nähert. Das Tastverhältnis ist in den Timerbausteinen 5 und 6 und im Mikroprozessor 4 gespeichert und kann jederzeit als digitaler Wert an die Anzeige 10 abgegeben werden. Die Timerbausteine 5 und 6 steuern die Schalter 7 und 8 die die Spannungsquellen LW und — U_rer an den Addierer 1 anlegen. Die Tastverhältnisse der Timerbausteine werden digital in Zählern gespeichert. Die Timerbausteine besitzen nur ein begrenztes zeitliches Auflösungsvermögen für das Tastverhältnis, so daß das Umsetzungsverfahren bei Einsatz nur eines Timerbausteins in der Auflösung erheblich begrenzt würde.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 wird dem Addierer 1 daher eine aus zwei Spannungen zusammengesetzte Kompensationsspannung zugeführt, wobei die Spannungen unterschiedliche Wertigkeiten haben. Diese unterschiedlichen Wertigkeiten können beispielsweise durch einen Abschwächer 9 zwischen Schalter 7 und Addierer 1 erreicht werden. Der Abschwächer 9 kann stattdessen auch zwischen den Spannungsquellen U\_rer und — LW und dem Schalter 7 angebracht werden. Zweckmäßigerweise wird die Wertigkeit der vom Schalter 7 abgegebenen getasteten Wechselspannung so gewählt, daß eine 100%ige Änderung ihres Tastverhältnisses einer Veränderung des Tastverhältnisses um einen Schritt oder einige wenige Schritte durch den Timerbaustein 5 entspricht.

Ist der Gleichspannungsanteil der Kompensationsspannung so groß wie die Meßspannung Ü_m gibt der Tiefpaßfilter 2 kein von Null abweichendes Signal an den ADU 3, so daß bei gleichbleibender Meßspannung Um das System in Ruhe ist. letzt läuft das System ohne Hilfe des Mikroprozessors. Weiterhin sind auch > während des Abgleichs die Steueraufgaben des Mikroprozessors 4 sehr gering; er übernimmt den Wert für die noch zu kompensierende Spannung, und falls dieser nicht Null ist, korrigiert er das Tastverhältnis des Timerbausteins bzw. der Timerbausteine 5 und/oder 6.

in Auf Grund dieser geringen Belastung ist der Mikroprozessor in der Lage, mit hoher Frequenz die Nachstellung durchzuführen und somit eine zeitlich dichte Datenfolge für den Meßwert der Meßspannung U₁₁, zu erhalten. Da es sich bei dem Verfahren um ein Nachlaufsystem handelt, das dem Meßwert fast kontinuierlich folgt kann auch in dieser Hinsicht der Meßwert praktisch jederzeit abgefragt werden, so daß trotz der hohen Auflösung eine hohe Meßrate möglich ist. Weiterhin wird die Genauigkeit der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Schaltung nur durch die Genauigkeit der Referenzspannung und die zeitgenaue Umschaltung durch die Timerbausteine 5 und 6 und die Schalter 7 und 8 bestimmt. Der Tiefpaßfilter 2 und der Nullindikator 3 haben keinen Einfluß auf die Meßempfindlichkeit, da sie > im Nachregelkreis liegen und im angeglichenen Zustand ihre Information Null entspricht. Fehler im Nachregelkreis können sich somit auf dem Nullpunkt, nicht aber auf Meßempfindlichkeit und Linearität auswirken.
Weiterhin erlaubt die hohe Arbeitsgeschwindigkeit des Mikroprozessors 4 mehrere Schaltungen zur Durchführung des Umsetzungsverfahrens parallel zu steuern. Der Aufwand für eine Schaltung sinkt somit nochmals erheblich und es lassen sich damit sehr preiswerte Mehrkanalsysteme mit sehr hoher Auflösung und Genauigkeit aufbauen. Eine derartige Schaltung ist in F i g. 2 gezeigt. Gleiche Bezugsziffern wie in F i g. 1 entsprechen gleichen Bauteilen. Die Meßspannungen LJ_m und U'm werden den einen Eingängen von Addierern 1 und Γ zugeführt. Die weitere Schaltung des Nachlaufsystems entspricht der Fig. 1. Die Ausgänge der ADU's 3 bzw. 3' sind über den Mikroprozessor-Bus mit dem Mikroprozessor 4 verbunden, der einerseits die Timerbausteine 5 bzw. 5' und andererseits die Anzeigen 10 bzw. 10' ansteuert. Wie in der Fig.2 angedeutet können in gleicher Weise weitere Nachlaufsysteme für andere Meßspannungen über den Mikroprozessor-Bus mit dem Mikroprozessor 4 verbunden werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Umsetzen mindestens einer Meßspannung in einen digitalen Wert nach dem Nachlaufprinzip mit einer Kompensationsgröße, wobei der Mittelwert der Kompensationsgröße durch ihr Tastverhältnis bestimmt wird und nach Addition von Meßspannung und Kompensationsgröße der Gleichspannungsanteil ausgefiltert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Korn- ιυ pensationsgröße aus mindestens zwei Kompensationsgrößen unterschiedlicher Wertigkeit zusammengesetzt ist, welche Rechtecksignale mit fester Frequenz und einstellbarem Tastverhältnis sind und daß die Tastverhältnisse bei Abweichen des Gleichspannungsanteils von Null derart verändert werden, daß der Gleichspannungsanteil zu Null geht

2. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nacli Anspruch 1, für eine Meßspannung, wobei die Meßspannung und die Kompensationsgröße jeweils den Eingängen eines Addierers zugeführt werden, und die Kompensationsgröße über einen Schalter mit zwei Spannungsquellen unterschiedlicher Spannung hergestellt ist, wobei der Ausgang des Addierers über einen Tiefpaßfilter einen Nullindikator ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Nullindikator (3) eine Logikschaltung (4) verbunden ist, von der die I astverhältnisse mindestens zweier Rechteckgeneratoren (5, 6), deren Tastverhältnisse digital erfaßbar sind, veränderbar sind, und daß die Rechteckgeneratoren (5,6) Schalter (7,8) ansteuern, mit deren Hilfe Ausgangssignale unterschiedlicher Wertigkeit erzeugt werden.

3. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für mehrere Meßspannungen, J5 wobei die Meßspannungen und die Kompensationsgrößen jeweils den Eingängen von Addierern zugeführt werden, und die Kompensationsgrößen über Schalter mit zwei Spanrungsquellen unterschiedlicher Spannung hergestellt sind, wobei die Ausgänge der Addierer über Tiefpaßfilter Nullindikatoren ansteuern, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Nullindikatoren (3, 3') eine Logikschaltung (4) verbunden ist, von der die Tastverhältnisse je mindestens zweier Rechteckgeneratoren, deren Tastverhältnisse digital erfaßbar sind, veränderbar sind, und daß die Rechteckgeneratoren Schalter ansteuern, mit deren Hilfe Ausgangssignale unterschiedlicher Wertigkeit erzeugt werden.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (4) ein Mikroprozessor ist.

5. Schaltung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Rechteckgenerator(en) (5,6,5') (ein) Mikroprozessor-bus-kompatibler Timerbaustein(e) ist (sind).

6. Schaltung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils beiden Spannungsquellen (U_rei, — Ure?) unterschiedliche Polarität besitzen.

7. Schaltung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullindikator (3) ein Komparator ist.

8. Schaltung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullindikator (3) ein Analog-Digital-Umsetzer ist.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer aus einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer und einem Zähler besteh L

10. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Tiefpaßfilier (2) und Analog-Digital-Umsetzer (3) ein rücksetzbarer Integrationsverstärker geschaltet ist.