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Verfahren und elektronisclies System zum Verarbeiteii von Si-
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gnalen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein elektronisches
System zum Verarbeiten von Signalen für Meß-, über wachungs- oder Steuerzwecke.
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Gemäß der Erfindung enthält ein elektronisches System wenigstens eine
Wandlerschaltung zum Umwandeln einer analogen Eingangsspannung1 in ein entsprechendes
Digitalsignal, eine Umschalteinrichtung zum wahlweisen Verbinden der Wandlerschaltung
mit einer zu messenden oder zu überwachenden Spannung und mit anderen Referenzspannungen
in einer vorbestimmten Sequenz und eine Verarbeitungs- und Steuereinrichtung zum
Steuern der Umschalteinrichtung und zum Verarbeiten der sich ergebenden Sequenz
von Digitalsignalen, um den Zahlenwert der zu messenden oder zu überwachenden Spannung
zu berechnen.
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Die Erfindung schafft außerdem ein analoges Verfahren zum Verarbeiten
von Signalen, bei welchem eiii Analogspannung/Digitalsignal
-Wandler
wahlweise mit einer zu messenden oder zu überwachenden Spannung und mit anderen
Referenzspannungen in einer vorbestimmten Sequenz verbunden wird und die sich ergebenden
sequentiellen Digitalsignale aus dem Wandler verarbeitet werden, um den Wert der
zu messenden oder zu überwacheiiden Spannung zu berechnen.
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Zwei oder mehr als zwei Referenzspannungen können benutzt werden,
und vorzugsweise wird bei der Berechnung ein Polynom benutzt, das auf Bewertungen
der Digitalsignale basiert.
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Die Verarbeitung der Signale zum Berechnen des Spannungswertes kann
darin bestehen, daß digitale Impulse für eine Setzperiode gezählt werden, während
der der Wandler mit jeder der Spannungsquellen der Reihe nach verbunden wird, d.h.
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mit der zu messenden oder zu überwachenden Spannung und mit den Referenzspannungen,
daß die entsprechenden numerischen Zählwerte, wenigstens vorübergehend, gespeichert
werden und daß eine Berechnung mit den gespeicherten numerischen Zählwerteii zusammen
mit wenigstens einer weiteren gespeicherten Zahl ausgeführt wird, die den wahren
Wert einer der Referenzspannungen darstellt. Zweckmäßig ist die andere der Referenzspannungen
null. Diese Sequenz kann in zyklischer Weise wiederholt werden.
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Die Erfindung kann für die verschiedensten Meß- und Steuerzwecke benutzt
werden. Typische Verwendungszwecke sind u.a.
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clie Temperaturmessung und -anzeige, wobei die zu messende Spannung
durch ein Thermoelement oder einen Temperaturfühler geliefert wird, und als digital
Voltmeter.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig.
1 ein Diagramm, das idealisierte Beziehungen zwischen Spannung, Frequenz und numerischen
Zählwerten zeigt, Fig. 2 in schematischer Form die wesentliche Teile eines auf der
Erfindung basierenden Systems und T'ig. 3 ein Blockschaltbild eines Systems nach
der Erwindung.
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Fig. 1 zeigt eine lineare Beziehung zwischen der Spannung und der
Frequenz, die für einen idealen Spannung/Frequenz-Wandler gilt. Zwei fes-te bekannte
Spannungswerte Vo (null) und Vref eryeben Frequenzen von fo und f1. Diesen Frequenzen
fo, fl sind Zahlenwerte N3 bzw. N2 zugeordnet. Eine zu messende Spannung Vin, die
mit zwei Werten oberhalb und unterhalb der Referenzspallnung Vref beispielshalber
dargestellt ist, erzeugt eine neue Frequenz f2 und einen zugeordneten Zahlenwert
N1. Die Zahlenwerte N1, N2 und N3 können auf einer Zählung der Frequenzen f2, f1
und fo über einer Setzzeitperiode basieren. Unter der Annahme, daß ein weiterer
Wert N4 verfügbar ist, der numerisch den tatsächlichen wahren Wert der Referenzspannung
Vref darstellt, kann die Erfindung durch eine Berechnung realisiert werden, die
auf folgender mathematisclier Beziehung basiert: Vin = (N1 - N3fl x N4 (1) (N2 -
N3) Das vorgenannte Verfahren zum Verarbeiten von Signalen kann somit diese spezifische
Beziehung bei der Ausführung der Berechnung ausnutzen.
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Die Werte N1 bis N3 können dynamische Werte sein, während der Wert
N4 ein fester statischer Wert ist.
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Fig. 2 zeigt in vereinfachter Form ein Meßsystem, bei dem diese Prinzipien
angewarldt werden. Die vorgenannten Spannungen Vin, Vref und Vo werden durch geeignete
Quellen geliefert. Der Eingang einer Wandlerschaltung in Form eines A/D-Wandlers
20 (Spannung/Frequenz-Wandler) wird mittels einer Umschalteinrichtung 21 wahlweise
mit den Spannungsquellen verbunden. Eine Verarbeitungs- und Steuereinrichtung 22,
die vorzugsweise einen oder mehrere Mikroprozessoren enthäLL, steuert die Umschalteinrichtung
21 und betätigt letztere, um den Wandler 20 in einer vorbestimmten Sequenz mit jeder
der Quellen zu verbinden. Die oben genannten Zahlenwerte N1 bis N3 werden als digitale
Zählwerte aus den Quellen gewonnen und in Speichern in der Verarbeitungs- und Steuereinrichtuiig
22 gespeichert. Der Zahlenwert N4 wird ebenfalls in einem Speicher der Verarbeitungs-
und Steuereinrichtung 22 gespeichert. Die auf der obigen Beziehung (1) basierende
Berechnung wird durch die Verarbeitungs- und Steuereinrichtung 22 ausgeführt, die
ein Ausgangssignal (AUS) erzeugt, das den Wert Vin darstellt. Die Verarbeitungs-
und Steuereinrichtung 22 kann die Umschalteinrichtung 21 in zyklischer Weise betätigen,
um eine kontinuierliche Meß- oder überwachungsfunktion zu erfüllen.
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Anhand der folgenden Beschreibung wird die Erfindung noch besser verständlich
und werden verschiedene weitere Merkmale und Aspekte der Erfindung deutlich.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun beispielshalber unter
Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, die ein Blockschaltbild eines Systems nach der
Erfindung zeigt. Zweckmäßigkeitshalber werden in Fig. 3 die strichpunktierten Linien
20, 21 und 22 benutzt, um die entsprechenden Teile des in Fig. 2 gezeigten Systems
zu identifizieren. Das in Fig. 3 gezeigte System dient zum Umwandeln einer Analogspannungsquelle
Vin in ein äquivalentes digitales Ausgangssignal zur Anzeige für
Meß-,
Uberwachungs- oder Steuerzwecke. Eine Wandlerschaltung in Form eines A/D-Wandlers
2 wandelt eine Eingangsspannung B in digitale Impulse an einem Ausgang C um. Die
Impulse der Impulsfolge an dem Ausgang C haben eiiie Folgefrequenz, die von der
Größe der Spannung an dem Eingang B abhängig ist. Die Eingangsspannung B wird verschiedenen
Quellen entnommen, einschließlich der Quelle Vin, und diese Quellen werden wahlweise
zugeschaltet und mit dem Eingang B verbunden, wie es im folgenden beschrieben ist.
Der Gesanitbetrieb des Systems wird durch einen geeignet programmierten Mikroprozessor
5 gesteuert. Der Mikroprozessor 5 enthält einen Oszillator 6 oder wird durch einen
externen Oszillator 6, vorzugsweise einen Quarzoszillator, gespeist.
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Das Ausgangssignal C aus dem Wandler 2 wird durch eine Torschaltung
3 geleitet, die einen Zähler 4 speist. Der Zähler 4 wird als Vorskalierer für den
Mikroprozessor 5 benutzt und verringert die Zählgeschwindigkeit auf eine zweckmäßige
Frequenz zum Speisen des Flag-Eiiigangs E des Mikroprozessors 5.
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Der Mikroprozessor 5 empfängt sumit ein Zäiilwertübertragssignal E
aus dem Zähler 4, und am Ende einer Zä.hlperiode, die durch die Auftast- oder Durchlaßzeit-
EIN" -Periode festgelegt ist, liest der Mikroprozessor 5 das Eingangssignal F, addiert
dieses zu dem Zählwert des Signals E und speichert das Ergebnis in einem Speicher.
Diese Znhlanordnung ist für die in dem System benutzten und im folgenden im einzelnen
angegebenen Elemente geeignet, es ist aber mit anderen Teilen möglich, die Zählanordnung
zu modifizieren. So ist es möglich, einen externen Zähler 4 mit größerer Kapazität
zu benutzen und den vollständigen Zählerstand am Ende der Zählperiode dem Mikroprozessor
5 über Eingänge F zuzuführen, wodurch sich das Obertragssignal E erübrigt. Umgekehrt
kann bei einem Mikroprozessor 5, der in der Lage ist, den abgehenden Zählerstand
direkt zu lesen, der externe Zähler 4 eliminiert werden.
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Der Mikroprozessor 5 liest, speichert und/oder verarbeitet das digitale
Zählsignal, welches die an B vorhandene Eingangsspannung darstellt. Der Betrieb
der Torschaltung 3 wird durch einen Teiler/Zeitgeber 7 gesteuert, der seinerseits
durch den Mikroprozessor 5 mit Steuersignalen G gesteuert wird.
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Das Oszillatorausgangssignal wird durch den Mikroprozessor 5 und auch
durch den externen Teiler/Zeitgeber 7 auf einen niedrigeren Wert heruntergeteilt.
Die gesamte Teilerkette kann sich innerhalb oder außerhalb des Mikroprozessors 5
befi.nden. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Torschaltung 3 für eine Periode
von etwa 100 itis freigegeben wird, d.h.
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im Durchlaßzustand ist. Die Durciilaßperiode ist nicht kritiscil,
aber eine Periode von 100 ms ist bei der Unterdrückung einer 50 und 60 flz - Netzspannungsstörung
von Nutzen. Während der Durchlaßzeit-EIN-Periode werden die Impulse aus dem Ausgang
C durch den Zähler 4 gezählt. Am Ende der EIN-Periode wird die Torscllaltung 3 gesperrt,
d.h. nichtleitend gemacht, und der Mikroprozessor 5, der zuvor das Eingangssignal
E gelesen und gezählt hat, liest das Eingangssignal F, addiert und speichert das
Ergebnis und löscht den Zähler 4 mit einem Rücksetzsignal R, damit dieser für den
nächsten Zyklus bereit ist.
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Der Wandler 2 wird in diesem Beispiel durch einen Verstärker 1 gespeist,
wobei aber der Verstärker 1 für die Erfindung nicht wesentlich ist. Ein erster Eingang
K des Verstärkers 1 ist mit einem Widerstandsrückkopplungsnetzwerk und mit einer
Vorspannungsquelle 17 verbunden. Das Verhältnis der Rückkopplungswiderstände legt
die Verstärkung des Verstärkers 1 fest, uiid die Verstärkung wird in Verbindung
mit der Vorspannung aus der Quelle 17 so eingestellt, daß der Wandler 2 in seinem
linearen Betriebsbereich arbeitet. Der Verstärker 1 hat einen zweiten Eingang A,
der mit Hilfe von Schaltern 1, II, III wahlweise mit einer von drei Quellen verhunden
wird, nämlich der Quelle Vin, einer Referenzspannung
Vref, die
durch eine Einric1Lung 8 geliefert wird, und einer Nullspannung Vo. Die Referenzspaiinung
Vref wird so gewählt, daß sie einen Wert hat, welcher dem Maximalwert der Spannung
Vin zweckmäßig angepaßt ist, und ein zweckmäßiger praktischer Wert für Vref beträgt
etwa 2/3 des Maximalwertes von Vin.
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Die Einrichtung 8, die die Referenzspannung Vref li.efert, kann eine
einfache Z-Diode od.dgl. sein, es kann aber auch eine vielseitigere Einrichtung
benutzt werden, die einen Bereich von Referenzspannungen liefert. Die Schalter I,
II und III siiid vorzugsweise elektronische Schalter, die durch Steuersignale aus
dem Mikroprozessor 5 betätigt werden. Es kann erforderlich sein, Schnittsteilenschaltungen
zwischen den Sciia] tern I, II und TII uiid dem iikroprozessor 5 vorzusehen. Im
Betrieb findet folgende Sequenz von Ereigiiisseii statt. Der Schalter I wird geschlossen,
während die Schalter II und III offen sind, die Torschalung 3 wird für eine erste
Durchlaßperiode freigegeben und ein digitales Zälilsignal N1, das zu der Spannung
Vin proportional ist, wird gelesen und in einem ersten Speicherplatz in dem Mikroprozessor
5 abgespeichert. Der Schalter II wird dann geschlossen, während die Schalter I und
III offen sind, die Torschaltung 3 wird für eine zweite Durchlaßperiode freigegeben
und ein digitales Zählsignal N2, das zu der Spannung Vref proportional ist, wird
gelesen und in einem zweiten Speicherplatz in dem Mikroprozessor 5 abgespeichert.
Schließlich wird der Schalter III geschlossen, während die Schalter I und II offen
sind, die Torschaltung 3 wird für eine dritte Durchlaßperiode freigegeben und ein
digitales Zählsignal N3, das zur Nullspannung proportional ist, wird gelesen und
in einem dritten Speicherplatz in dem Mikroprozessor 5 abgespeichert. Der Mikroprozessor
5 hat einen Permanentspeicher, in welchem ein numerischer digitaler Zählwert N4,
der gleich dem wahren Wert der Referenzspannung Vref ist, gespeichert ist. Der Mikroprozessor
5 benutzt die gespeicherten Zahlenwerte N1 bis N4, um den Wert der Spannung Vin
= N5 durch folgende mathematische
Beziellung zu berechnen: N5
= (N1 - N3) x N4 (N2 - N3) Ein typisches Beispiel ist folgeiides: Viii = 50000 IlV
Vref= 42000 pV ### N4 = 42000 Ni = 28215 N2 = 24361 N3 = 4128 Der g?mossene Wert
wird dann berechnet zu 28215-4128 x 42000 = 50000 24361 - 4128 Dieser gemssene Wert
N5 kann als eine Digitalanzeigc in Mikrovolt angezeigt werden. Durch Wiederholen
der obigen Se-Sequenz kann die SpannungVin ständig überwacht und/oder angezeigt
werden. Die Spannung Vin kann jedoch aus einem anderen Parameter gewonnen werden,
z.B. der Temperatur oder dem Druck, und in diesem Fall wird die Spannung Vin von
einem geeigneten Geber geliefert, z.B. von dem kalten Ende des Thermoelements eines
Temperaturfühlers. Die angezeigte berechnete Größe kann in Einheiten vorliegen,
die dem abgefühlten Parameter direkt angepaßt sind, z.B. in Grad Celsius oder Millibar.
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Die Spannung Vin kann bipolar sein, da die Berechnung negative und
positive Werte berücksichtigen kann. Jeder übergang zwischen negativen und positiven
Werten in der Spannung Vin wird nicht zu Fehlern führen.
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Zum Vergrößern der Frequenz des Ausgangssignals der Wandlerschaltung
2, um dadurch das Zählen und Speichern höherer Zahlenwerte zu gestatten, kann eine
phasenstarre Steuerschleife zwischen der Wandlerschaltung 2 und dem Oszillator,
bei
dem es sich um einen externen oder soiistigen Oszillator handelt,
der Verarbeitungs- und Steuereinriciitung 22 vorgesehen werden, wie es durch die
gestrichelte Linie P in Fig. 3 dargestellt ist. Das Vorsehen dieser phasenstarren
Schleife ermöglichst dem System, den gewünschten Wert mit größerer Auflösung zu
berechnen.
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Fig. 3 zeigt außerdem eine Form einer Arizeigeanoidnung mit Verriegelungssciialtungen
9, 15, die Decoder/Treiber 10, 16 speiseii. Letztere haben Ausgangsleitungen; die
mit Katoden und Anoden voll vier Leuchtdiodenzeigexl 11-14 verbunden sind.
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In einem praktischen Aufbau können auf der Basis des System von Fig.
3 folgende Schaltungselemellte benutzt werden: Schalter I, II & III FET, Typ
Cm 4016 National Semicoiiductors Ltd.
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Verstärker 1 Type LM 308 National Semiconductors Ltd., mit einem
Rückkopplungswiderstandsverhältnis, das eine Verstärkung von 150x ergibt.
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Mikroprozessor 5/ Intersil Typ 6100 Oszillator 6 oder Intel Typ 4048
Wandlerschaltung 2 Burrbrown Typ VE1C32 Torschaltung 3 Fairchild Typ 4106 Zähler
4 Fairchild Typ 4040 Teiler/Zeitgeber 7 Fairchild Typ 4040 Vorausgesetzt, daß die
Periode zwischen aufeinanderfolgenden Zählungen angemessen kurz ist, wird durch
irgendwelche Drift in dem Verstärker 1 und der Schaltung 2 das Gesamtsystem nicht
nachteilig beeinflußt. Weiter können dadurch, daß die Zählperiode gleich einer oder
mehreren Perioden eines bekannten symmetrischen Störsignals gemacht wird, die Auswirkungen
dieser Störung eliminiert werden.
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Die Umschaltung des Eingangssignals an der Schaltung 2 kann eine Sequenz
haben, die sich von der beschriebenen unterscheidet, wobei sich dann die Berechnung
entsprechend ändert.
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Die folgende alternative Sequenz, in der 0 einen offenen Schalter
und 1 einen geschlossenen Schalter bezeichnet, sorgt dafür, daß die Eingangssignalmessung
und -anzeige besser auf den neuesten Stand gebracht werden: Schalter Schalter Schalter
Sequenz I II III 1 1 0 0 2 0 1 0 3 1 0 0 4 0 0 1 (5 etc. 1 0 0 ( wiederhole 2, 3,
4 Eine weitere Sequenz, die benutzt werdeii kann, ist folgende: Schalter Schalter
Schalter Sequenz I II III 1 0 1 0 2 ö 0 1 3 1 0 0 4 1 0 0 5 1 0 0 6 1 0 0 7 1 0
0 (8 etc. 0 1 0 ( wiederhole 2 - 7
Diese aus sieben Schritten bestehende
Sequenz ist in einem System von Nutzen, in welchem eine Ruheperiode für die Berechnung
erwünscht ist.
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Weitere Schaltsequenzen können für eine Vielfalt von Verwendungszwecken
benutzt werden.