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Analog/Digital-Wandleranordnung,
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insbesondere für den Waagenbau Die Erfindung betrifft eine Analog/Digital-Wandleranordnung,
insbesondere für den Waagenbau,mit einem Messverstärker zur Verstärkung eines Meßsignals
und mit einem Analog/Digital-Wandler zum Umsetzen des verstärkten Meßsignals in
ein digitales Messausgangssignal.
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Analog/Digital-Wandleranordnungen der beschriebenen Art werden seit
geraumer Zeit insbesondere im Wagenbau eingesetzt, wobei das Meßsignal, welches
im allgemeinen von einem Meßwandler in Form einer Wheatstone'schen-Brücke stammt,-mit
einem üblichen Meßverstärker verstärkt und dann einem Analog/Digital-Wandler - nachstehend
nur noch als A/D-Wandler bezeichnet - zugeführt wird, der relativ kompliziert aufgebaut
ist, um zur Erzielung genauer Wägeergebnisse den Einfluß von Drifterscheinungen
auf ein Minimum zu reduzieren.
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Ein speziell für denWaagenbau. entwickelter driftfreier A/D-Wandler
ist beispielsweise in der DE-PS 21 64 227 detailliert beschrieben und arbeitet derart,
daß durch
Verknüpfung der Taktfrequenz des Wandlers mit der Steilheit
der Sägezahnspannung die auf dem Verschlüsselungsprinzip beruhenden Fehler eliminiert
werden, während gleichzeitig die wesentlichen, auf das Driftverhalten, die Alterung
von Bauelementen, den Temperaturgang usw. zurückgehenden Fehler auf ein Minimum
reduziert werden.
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Nachteilig an den bisherigen Systemen mit einem ganz normalen Meßverstärker
und einem sehr genauen driftfreien A/D-Wandler, dessen Genauigkeit ständig mit Hilfe
von Referenz signalen. überprüft und gegebenenfalls nachgeregelt wird, ist es, daß
sowohl der Verstärker wie auch der A/D-Wandler stets auf einen bestimmten Meßbereich,
insbesondere einen bestimmten Gewichtsbereich, abgestimmt werden, so daß für die
Signalauswertung und Verarbeitung in verschiedenen Meßbereichen jeweils andere Verstärker-
und Wandler eingesetzt werden,sodaßbeispielsweise in einer Waagenfabrik, in der
Waagen für die unterschiedlichsten Gewichtsbereiche hergestellt werden, eine erhebliche
Anzahl von Systemen bereitgehalten werden muß, um für den einzelnen Anwendungsfall
jeweils optimale Ergebnisse zu erhalten.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine verbesserte Analog/ Digital-Wandleranordnung anzugeben, die bei.
hoher Genauigkeit universell einsetzbar ist, so daß Meßsignale, insbesondere die
Ausgangssignale einer Meßbrücke,
unabhängig von ihrer Größe zuverlässig
und.mit hoher Genauigkeit ausgewertet und digitalisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird bei einer Analog/Digital-Wandleranordnung der eingangs
beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Meßverstärker mindestens
einen regelbaren Verstärker aufweist, dessen Verstärkung bei einem Abgleichvorgang
und bei einem bezüglich eines gewissen Meßbereichsendwertes vorgegebenen Meßwert
derart regelbar ist, daß sich ein fest vorgegebener Wert des verstärkten MeBsignals
ergibt.
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Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen A/D-Wandleranordnung
besteht dabei darin, daß die von dem Meßwandler erzeugten Signale mit Hilfe des
Verstärkers unabhängig von ihrer Größe gewissermaßen normiert werden, so daß bei
einer Meßgröße, die bei einem gewissen Prozentsatz des Meßbereichendwerts liegt,
unabhängig von der absoluten Größe der Meßgröße stets dasselbe Ausgangssignal des
regelbaren Meßverstärkers erhalten wird. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit,
unabhängig vom Absolutwert der Meßgrößen in dem zu erfassenden Meßbereich die weitere
Auswertung und Digitalisierung stets mit demselben A/D-Wandler durchzuführen, so
daß die Palette der für ein bestimmtes Programm erforderlichen Schaltkreise bereits
erheblich reduziert wird.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn
als regelbarer Verstärker ein als multiplizierender Verstärker mit digital einstellbarer
Verstärkung dienender D/A-Wandler eingesetzt wird, dessen Digitaleingängen ein von
dem digitalisierten, verstärkten Meßsignal abgeleitetes digitales Regelsignal zuführbar
ist, durch das bei einem Abgleichvorgang das Meßausgangssignal bei einem bezüglich
eines gewissen Meßbereichsendwerts vorgegebenen Wert der Meßgröße auf einen fest
vorgegebenen Wert regelbar ist.
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Der entscheidende Vorteil dieser Weiterbildung der erfindungsgemäßen
A/D-Wandleranordnung besteht darin, daß durch die multiplikative Regelung des Verstärkungsfaktors
des Meßverstärkers die zu verstärkenden Meßsignale in einem mehrere Zehnerpotenzen
umfassenden Bereich liegen können, und daß dennoch die Signalnormierung stets mit
demselben Meßverstärker erfolgen kann. Damit ist es aber letztlich ausreichend,
enn für alle Meßbereiche nur noch eine einzige Wandleranordnung mit einem normierenden,
multiplikativ regelbaren Meßverstärker und einem nachgeschalteten A/D-Wandler zur
Verfügung steht. Zusätzlich ergibt sich dabei der überraschende Vorteil, daß auch
der A/D-Wandler erheblich vereinfacht werden kann, wenn man nämlich die in Abhängigkeit
von Prüfsignalen erhaltenen digitalen Megrgebnisse bei Abweichung dieser Meßergebnisse
von einem vorgegebenen Sollwert in der Weise auswertet, daß man eine Nachregelung
des Verstärkungsfaktors des multiplizierenden D/A-Wandlers durchführt und auf diese
Weise
änderungen in der Steilheit der ftr den A/D-Wandler erz-eugten Sägezahnspannung
korrigiert.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist es ferner vorteilhaft, dann, wenn
das Meßsignal in Form zweier bezugsspannungsfreier Potentiale über der Brückendiagonalen
einer Meßbrücke zur Verfügung steht, mit den beiden Anschlußpunkten der Brückendiagonalen
jeweils über einen Vorverstärker einen als multiplizierenden Verstärker mit digital
einstellbarer Verstärkung dienenden D/A-Wandler zu verbinden und die Ausgänge der
beiden D/A-Wandler über Kreuz mit den Eingängen eines Operationsverstärkers zu verbinden,
von dessen Ausgang das verstärkte analoge Meßsignal'abgreifbar ist. Durch eine derartige
"Parallelschaltung" zweier D/A-Wandler, die an sich bereits bekannt ist - Firmenprospekt
der Firma PMI, Precision Monolithics Incorporated, 1976, DAC-08., Seite 11, Fig.
34 - lassen sich die Meßsignale mit besonders hoher. Genauigkeit auswerten.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist es ferner vorteilhaft, wenn das
digitale Regelsignal für den Meßverstärker aus dem digitalen Meßausgangssignal des
A/D-Wandlers mit Hilfe eines Mikroprozessors bzw. ganz all geme.in eines Rechners
abgeleitet wird, der einerseits mit dem Ausgang des/D-Wandlers und andererseits
über einen Datenbus mit den Digital-Eingängen der D/A-Wandler verbunden ist, wobei
in die Verbindung zwischen dem Datenbus und den Digital-Eingängen der D/A-Wandler
vorzugsweise ein Zwischenspeicher (latch) eingefügt ist.
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Eine derartige Regelschleife mit einem Rechner bzw.
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Mikroprozessor erscheint zwar im ersten Moment als relativ aufwendig,
bringt in der Praxis jedoch, insbesondere bei Einsatz der Wandleranordnung im Waagenbau,
ganz erhebliche Vorteile mit sich, da mit seiner Hilfe bei Gewichtswert-Abnahmesystemen
im Waagenbau sowohl die Einstellarbeiten auf ein Minimum reduziert bzw.
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automatisiert werden können,als auch die Möglichkeit besteht, zusätzliche
Daten zu ermitteln und zu speichern, beispielsweise Daten über die Menge der abgefüllten
und abgewogenen Güter usw. Außerdem halten sich auch die Kosten für den Mikroprozessor
und die zugehörigen Speichereinrichtungen in Grenzen, da für sämtliche Gewichtswertabnahmesysteme
nicht nur derselbe Meßverstärker und derselbe A/D-Wandler, sondern auch dieselben
Recheneinrichtungen verwendet werden können.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert, in denen entsprechend dem bevorzugten
Anwendungsgebiet der Erfindung eine erfindungsgemäße Analog/Digital-Wandleranordnung
als Bestandteil eines Gewichtswertabnahmesystems im Waagenbau bzw. eines elektronischen
Wägesystems dargestellt ist.
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Es zeigen; Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer elektronischen
Waage mit einer A/D-Wandleranordnung gemäß der Erfindung;
Fig.
2 ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen'
A/D-Wandleranordnung; Fig. 3 ein gegenüber Fig. 1 erweitertes Wägesystem mit einer
erfindungsgemäßen A/D-Wandleranordnung; Fig. 4 Flußdiagramme zur Erläuterung der
Abgleich-und phase und der Wägephase bei einer erfindungs-Fig. 5 gemäßen elektronischen
Waage.
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Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine-elektronische Waage bzw.
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ein Wägesystem, bei dem mit Hilfe eines Meßwandlers 10, beispielsweise
einer Brückenschaltung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ein Meßsignal erzeugt
wird, welches während der Wägephase über einen Schalter 12 an den Eingang eines
Meßverstärkers 14 angelegt wird.
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Das verstärkte Meßsignal vom Ausgang des Meßverstärkers 14 wird dann
über einen weiteren Schalter 16 an den Analog-Eingang eines A/D-Wandlers 18 angelegt,
an dessen Digital-Ausgang nunmehr das digitalisierte, verstärkte Meßsignal als Meßausgangssignal
zur Verügung steht.
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Das digitale Meßausgangssignal vom Ausgang des A/D-Wandlers 18 wird
einem Mikroprozessor 20 zugeführt, der über einen Datenbus 22 mit einer Anzeigeeinheit
24 in Verbindung steht, wobei an den Datenbus 22 auch noch weitere Peripherie-Geräte
angeschlossen sein
können, beispielsweise Speicher zur Speicherung
von Daten über die Menge der abgewogenen Güter, den Lagerbestand und dergleichen.
Zusätzlich besitzt der Datenbus 22 bei der elektronischen Waage gemäß Fig. 1 Verbindungen
zu den Schaltern 12, 16 und zum Meßverstärker 14, der aus einem regelbaren Verstärker
26 und aus einem D/A-Wandler 28 aufgebaut ist, der der Erzeugung von Regelsignalen
für den Verstärker 26 aufgrund digitaler Daten vom Mikroprozessor 20 dient. Eine
weitere Verbindung führt vom Datenbus 22 zu einem weiteren D/A-Wandler 30, dessen
Analog-Ausgang mit dem Meßwandler 10 verbunden ist. Schließlich ist bei der elektronischen
Waage gemäß Fig. 1 noch eine Referenzspannungsquelle 32 vorgesehen, mit deren Hilfe
über den Schalter 12 eine Referenzspannung an den Meßverstärker 14 anlegbar ist
und die gegebenenfalls zusätzliche Anschlüsse - gestrichelt dargestellt - zum Meßwandler
10, zum Verstärker 26 und zum A/D-Wandler 18 besitzt.
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Die elektronische Waage gemäß Fig. 1 muß nach dem Zusammenbau der
einzelnen vorstehend beschriebenen Baugruppen bzw. Schaltkreise zunächst abgeglichen
werden, ehe sie im Wägebetrieb zum Wägen von Gütern eingesetzt werden kann. Dementsprechend
wird nachstehend für das System gemäß Fig. 1 zunächst die Abgleichphase und anschließend
der Wägebetrieb erläutert.
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1Abgleichphase 1.a Nullabgleich des Abnahmesystems - Brückensymmetrierung
bei entlasteter Waage Bei einem Meßwandler 10, der als Wheatstone'sche Brücke aufgebaut
ist, was bei Präzisionswaagen nahezu immer der Fall ist, besteht eine der Grundvoraussetzungen
für die Gewinnung exakter Meßergebnisse darin, daß die Brücke selbst genau abgeglichen
ist. Wie dies im einzelnen geschieht, wird nachstehend anhand von Fig. 2 noch näher
erläutert. Für die Betrachtung des Systems gemäß Fig. 1 soll es vorerst genügen,
darauf hinzuweisen, daß der Abgleich. des Meßwandlers 10 mit Hilfe eines Stroms
erzeugt wird, der ihm vom Ausgang des D/A-Wandlers 30 zugeführt wird.
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Zur Gewinnung des entsprechenden, für den Meßwandlerabgleich erforderlichen
analogen (Strom)-Signals wird der Ausgang des Meßwandlers 10 bei gesperrtem Schalter
12 über den Schalter 16 direkt an den A/D-Wandler 18 gelegt, dessen digitales Ausgangssignal
in einen Speicherteil eines Speichers des Mikroprozessors 20 eingespeichert wird.
In Abhängigkeit von diesem Signal berechnet der Mikroprozessor 20 ein digitales
Abgl.eichsignal, welches dem D/A-Wandler 30 zugeführt wird, der nunmehr ein entsprechendes
analoges Abgleichsignal für den Meßwandler 10
liefert. Diese Regelschleife
für den Null-Abgleich des Meßwandlers 10 bleibt erhalten, bis das Ausgangssignal
des Meßwandlers 1o zu Null geworden ist bzw. bis die an den beiden diagonalen Punkten
der Meßbrücke abgegriffenen Potentiale identisch sind. Das bei diesem Nullabgleich
letztlich erhaltene digitale Korrektursignal wird nunmehr in einem Speicherteil
20a des Mikroprozessors 20 abgespeichert, wobei anzumerken wäre, daß der Mikroprozessor
20 normalerweise mit einer Batterie ausgerüstes ist, die auch bei einem. Stromausfall
bzw.
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bei einer Trennung des Systems vom Netz eine Stromversorgung des
Speicherteils gewährleistet, so daß die gespeicherten Daten erhalten bleiben.
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1 .b Bereichsabgleich für den Meßverstärker - Waage auf Vollast Nach
dem Null-Abgleich wird der Ausgang des Meßwandlers 10 über den Schalter 12 mit dem
Meßeingang. des Meßverstärkers 14 bzw. mit dem regelbar ren Verstärker 26 verbunden.
Das Ausgangssignal des Meßverstärkers wird über den Schalter 16 an den Analog-Eingang
des A/D-Wandlers 18 angelegt.
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Weiterhin wird der Meßwandler mit einer dem Endwert des gewünschten
Meßbereichs entsprechenden Meßgröße beaufschlagt, insbesondere wird die Waage mit
einem der Vollast entsprechenden Gewicht belastet. Bei dieser Belastung soll das
digitale
Ausgangssignal des A/D-Wandlers 18 sein nen Maximal-Wert haben, was erfindungsgemäß
wieder über einen Rückkopplungszweig erreicht wird.
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Im einzelnen wird aufgrund des zunächst erhaltenen digitalen Ausgangssignals
des A/D-Wandlers 18 von dem Mikroprozessor 20 ein digitales Korrektursignal errechnet,
welches über den Datenbus 22 dem Digital-Eingang des D/A-Wandlers 28 zugeführt wird.
Dieses erzeugt daraufhin ein analoges Regelsignal für den Verstärker 26, dessen
Verstärkung so geregelt wird, daß eine Annäherung des digitalen Ausgangssignals
des Wandlers 18 an den angestrebten Maximalwert erfolgt. Sobald dieser Maximalwert
im Zuge des Bereichsabgleichs durch Regelung der Verstärkung des Verstärkers 26
erreicht ist, wird das zuletzt an dem Wandler 28 anliegende digitale Korrektursignal
in einem Speicherteil 20b des Speichers des Mikroprozessors 20 abgespeichert.
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1.c Nullwert-Messung - Waage entlastet Nach dem Null-Abgleich (Brücken-Symmetrierung)
und nach dem Bereichsabgleich (Normierung des MeBrerstärker-Ausgangssignals) erfolgt
bei völlig entlasteter Waage die sogenannte Nullwert-Messung, bei der das Meßsignal
vom Ausgang des Meßwandlers 10 über den Schalter 12 an den MeB-verstärker 14 gelegt
wird, dessen verstärktes
Ausgangssignal über den Schalter 16 dem
A/D-Wandler 18 zugeführt wird, der ein entsprechendes digitales Meßausgangssignal
erzeugt, welches in einem Speicherteil 20c des Speichers des Mikroprozessors 20
abgespeichert wird. Dabei werden die digitalen Korrektursignale, welche zuvor ermittelt
und abgespeichert wurden, unverändert an die Wandler 28 bzw. 30 angelegt.
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1.d Prüfwertmessung - Auswertung eines Prüfsignals bei entlasteter
Waage Im Anschluß an die Nullwert-Messung wird die Verbindung zwischen dem Meßwandler
10 und dem Meßverstärker 14 unterbrochen. Stattdessen wird an den Eingang des Meßverstärkers
14 über den Schalter 12 ein analoges Prüfsignal - im vorliegenden Fall ein Ausgangssignal
der Referenzspannungsquelle 32 - angelegt. Das verstärkte Prüf signal vom Ausgang
des Meßverstärkers 14 wird über den Schalter 16 an den Analog-Eingang des A/D-Wandlers
18 gelegt. Das Prüf signal, bei dessen Aufschaltung die gespeicherten Korrektursignale
für die Wandler 28 und 30 nicht geändert werden, beträgt etwa 95% des Bereichsendwertes
und wird, im Wägebetrieb als Referenzsignal verwendet, was weiter unten noch näher
erläutert wird. Das beim Anliegen des Prüfsignals erhaltene Ausgangs signal des
A/D-Wandlers 18 wird daraufhin geprüft, ob es innerhalb
eines vorgegebenen
Toleranzbereichs liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, dann aktiviert der Rechner
bzw. der Mikroprozessor 20 einen Alarmkreis, über den ein "Fehler" angezeigt wird.
Liegt das bei der Prüfwertmessung erhaltene Digitalsignal jedoch innerhalb des vorgegebenen
Toleranzbereichs, dann wird es in einem weiteren Speicherteil des Mikroprozessors
20 abgespeichert.
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1 .e Bereichsberechnung Aus den ermittelten Daten für den Nullwert
(vgl.
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Abschnitt 1.c) und den Bereichsendwert (vgl. Abschnitt 1 .b) wird
vom Mikroprozessor 20 unter Berücksichtigung der Vorzeichen dieser Werte ein sogenannter
Bereichswert ermittelt und abgespeichert. Dieser Wert dient später im Wägebetrieb
als sogenannter Teilungsfaktor zur Gewichtsermittlung (vgl. Abschnitt 2.c). Mit
der Berechnung des Berei.chswertes ist der Abgleich der elektronischen Waage gemäß
Fig. 1 abgeschlossen, so daß nunmehr zum Wägebetrieb übergegangen werden kann.
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Die vorstehend ausführlich beschriebenen Zusammenhänge werden besonders
aus Fig. 4 deutlich, wo der beschriebene Ablauf.der Abgleichphase in Form eines
Flußdiagramms dargestellt ist, in welchem die durch geschwungene horizontale Linien
begrenzten Blöcke jeweils die Vorgänge
betreffen, gemäß welchen
eine Speicherung bestimmter Daten bzw. Werte erfolgt.
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2. Wägebetrieb - Waage beim Einschalten entlastet 2.a Vorbereitung
durch Ubernahme der gespeicherten Daten Die Ansteuerdaten und Abgleichwerte, welche
während der Abgleichphase erhalten und abgespeichert wurden, werden vom Mikroprozessor
20 aus den verschiedenen Speicherteilen ausgelesen, und es werden folgende Schritte
ausgeführt: 1..Setzen des Null-D/A-Wandlers durch den Mikroprozessor 20 über den
Datenbus 22 2. Setzen des Bereichs - D/A-Wandlers 28 durch den Mikroprozessor 20
über den Datenbus 22 3. Anschalten des Meßwandlers 10 über den Schalter 12 an den
Meßverstärker 14.
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Nach Durchführung dieser Schritte ist die elektronische Waage wägebereit.
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2.b Wägeablauf Da die Waage beim Einschalten vereinbarungsgemäß nicht
belastet sein soll, wird-zunächst wieder ein Nullwert gemessen, der erst einmal
daraufhin geprüft wird, ob er innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt,
dessen Daten im Speicherteil des Mikroprozessors 20 gespeichert sind.
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Wenn dies der Fall ist - andernfalls wird ein Alarm ausgelöst - wird
der neu ermittelte Nullwert mit dem in der Abgleichphase erhaltenen Nullwert verglichen,
woraufhin gegebenenfalls eine Korrektur bzw. Aktualisierung des zuvor gespeicherten
Nullwerts erfolgt, an die sich eine neue Bereichsberechnung (Abschnitt 1 .e) anschließt.
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Es wird also letztlich ein neuer Teilungsfaktor ermittelt und auf
diese Weise eine Null-Driftkompensation durchgeführt.
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Im Anschluß an diese erste Nullwert-Messung im Zuge der Wägephase
wird dann erneut eine Prüfwertmessung gemäß Abschnitt 1.d durchgeführt, um zu prüfen,
ob der Prüfwert noch im Toleranzbereich liegt, und um gegebenenfalls auch eine Aktualisierung
des bis dahin abgespeicherten Prüfwerts durchzuführen. Aufgrund der dann gegebenenfalls
neu gespeicherten Werte wird erneut eine Berechnung des Bereichsendwertes durchgeführt,
so daß nach der Driftkompensation für den Meßwandler nunmehr auch eine Driftkompensation
für den Meßverstärker 14 gewährleistet ist.
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Entsprechende Kompensationsvorgänge erfolgen erfindungsgemäß während
einer Anlauf- und Aufwärmphase der Waage jedesmal wenn festgestellt wird, daß die
Waage gerade entlastet ist, wobei die Gesamtzahl der Kompensationsvorgänge, an die
sich jeweils ne neue Bereichsberechnung anschließt, mit Hilfe eines Zählers vorgegeben
wird, der,ausgehend von einem vorgegebenen Zählerstand, rückwärts zählt und bis
zum Erreichen des Zählerstandes Null bei jeder Nullwert-Erkennung einen neuen Kompensationszyklus
einleitet.
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Wenn die Waage während der Anlaufphase oder nach Abschluß derselben
mit einem Gewicht belastet wird, dann wird in Abhängigkeit von den entsprechend
höheren Meßsignal zunächst auf jeden Fall noch einmal ein Prüfsignal aufgeschaltet,
um das resultierende Digital-Signal auf seine Lage bezüglich des Toleranzbereiches
zu prüfen, und um gegebenenfalls eine Aktualisierung des Prüfwertes und eine Neuberechnung
des Bereichsendwertes durchzuführen.
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Wenn dies geschehen ist, wird zur Gewichtsermittlung das digitale
Meßausgangssignal des A/D-Wandlers 18 durch den zuvor ermittelten Bereichswert geteilt
und anschließend mit einem der ausgewählten Größe der Vollast entsprechenden Vollast-Faktor
multipliziert. Auf diese Weise wird der Gewichtswert erhalten, welcher nunmehr vom
Mikroprozessor 20 über den Datenbus 22 an die Anzeigeeinheit 24 und gegebenenfalls
weitere Peripheriegeräte angelegt
werden kann. Dabei machen die
vorstehenden Ausführungen deutlich, daß bei der erfindungsgemäßen elektronischen
Waage gemäß Fig. 1 die Ermittlung des Gewichtswertes nicht auf Absolutwertbasis,
sondern durch eine Differenzwertberechnung erfolgt.
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Diese einzelnen, während der Wägephase durchzuführenden Schritte sind
in Fig. 5 wieder in Form eines Flußdiagramms zusammengestellt.
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Während vorstehend die generelle Funktion einer elektronischen Waage
gemäß der Erfindung anhand der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 erläutert
wurde, soll nachstehend auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Meßverstärkers
14 für einen Meßwandler in Form einer Brückenschaltung anhand der Darstellung gemäß
Fig. 2 näher eingegangen werden.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist der Meßwandler 10 dort eine Brückenschaltung,
deren zwei Brückenzweige einerseits geerdet sind und andererseits an einer Versorgungsspannung,
insbesondere an einer Referenzspannung Vref aus der Referenzspannungsquelle 32 anliegen.
Aufgrund der beschriebenen Ausbildung der Brücke können an den beiden diagonalen
Punkten nur noch bezugsspannungsfreie Potentiale abgegriffen werden, aus deren Differenz
sich die Meßspannung ergibt. Für die Potentiale an den Diagonalen-Punkten sind nun
erfindungsgemäß getrennte, parallele
Verstärkungspfade des Meßverstärkers
14 vorgesehen.
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Jeder dieser Pfade enthält dabei einen Vorverstärker 34 und einen
Bereichs-D/A-Wandler 28a, und die Ausgänge dieser Wandler 28a sind überkreuz miteinander
und mit den Eingängen eines Operationsverstärkers 36 verbunden. Dabei erfolgt die
Einstellung des Verstärkungsfaktors der beiden Bereichs-D/A-Wandler 28a in Abhängigkeit
von dem digitalen Regelsignal vom Ausgang eines Zwischenspeichers 38, der eingangsseitig
an den Datenbus 22 angeschlossen ist. Der Meßverstärker 14 gemäß Fig. 2 entspricht
damit weitgehend dem bekannten Verstärker aus zwei parallel geschalteten D/A-Wandlern.
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Zur verbesserten Symmetrierung sind jedoch die Meßsignaleingänge der
beiden Wandler 28a in der Schaltung gemäß Fig. 2 noch über einen Symmetrierwiderstand
39 verbunden. Für den Null-Abgleich des Meßwandlers 10 bzw. der Brücke ist auch
in Fig. 2 wieder ein Null-D/A-Wandler 30 vorgesehen, mit dessen Hilfe ein Strom
durch die beiden Brückenzweige erzeugbar ist, dessen Richtung in Fig. 2 durch Pfeile
angedeutet ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers
36 an den Analog-Eingang des A/D-Wandlers 18 angelegt, und zwaralternierend für
jede der beiden Brückenzweige bzw. Verstärkerzweige, wobei nun in Abhängigkeit vom
Ausgangssignal des A/D-W«dlers 18 mit Hilfe des Mikroprozessors 20 ein digitales
Regelsignal erzeugt wird, welches über den Datenbus 22 an den Digital-Eingang des
Null-D/A-Wandlers 30 angelegt wird, und zwar mit dem Ziel, den
Ausgangsstrom
des Wandlers 30 so einzuregeln, daß sich für jeden der beiden-D.iagonaien»Punkte
am Ausgang des A/D-Wandlers 18 exakt der gleiche Wert ergibt, was bedeutet, daß
die Brücke abgeglichen und ihre Symmetrierung erfolgreich durchgeführt ist.
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In Fig. 3 ist noch einmal ein vollständiges Wägesystem bzw. eine elektronische
Waage gezeigt, die einen ein'-kanaligen Meßverstärker 14 aufweist, welcher praktisch
eine Kombination der Meßverstärker gemäß Fig. 1 und 2 darstellt, da'er einerseits
nur einen Verstärkungskanal besitzt, andererseits jedoch einen Eingangsverstärker
und einen direkt als multiplizierender Verstärker arbeitenden Bereichs-D/A-Wandler.
Weiterhin unterschiedet sich die Waage gemäß Fig. 3 von derjenigen gemäß Fig. 1
dadurch, daß zwischen dem Schalter 16 und dem A/D-Wandler 18 ein Fi.lter 40 angeordnet
ist, welches dazu dient, ein Rauschen der Verstärkerstrecke zu unterdrücken.
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Schließlich wird bei der Waage gemäß Fig. 3 als Prüfsignal nicht einfach
das Ausgangs signal der Referenzspannungsquelle 32 verwendet; vielmehr ist mit der
Referenzspannungsquelle 32 ein eigener Prüfsignalgeber 42 verbunden, an dem das
gewünschte Prüfsignal als durch die Referenzspannung stabilisiertes Signal genau
eingestellt werden kann, während im übrigen die Referenspannung unmittelbar als
Versorgungsspannung an den Meßwandler 10 und an den A/D-Wandler 18 angelegt wird.
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Weiterhin ist in Fig. 3 auch die bereits weiter oben erwähnte Batterie
44 zur Datensicherung der im, Speicher des Mikroprozessors 20 gespeicherten Daten
eingezeichnet.
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Die elektronische Waage gemäß Fig. 3 arbeitet im Abgleich- und im
Wägebetrieb ebenso wie die Waage gemäß Fig. 1, so daß diesbezüglich eine nähere
Erläuterung entbehrlich erscheint.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, kann die Erfindung,
ausgehend von dem Grundgedanken, einen innerhalb weiter Grenzen regelbaren Meßverstärker,
insbesondere in Form-eines multiplizierenden D/A-Wandlers mit digitaler Regelschleife
einzusetzen, letztlich auch in einem Verfahren gesehen werden, bei dem mit Unterstützung
eines Mikroprozessors bzw.
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ganz allgemein eines Rechners das Abgleichen des Meßsystems weitgehend
automatisiert ist, wobei hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten einer Schaltungskombination
aus Meßverstärker und A/D-Wandler ein breites, über mehrere Zehnerpotenzen gehendes
Band von Meßbereichen erfasst werden kann, deren Festlegung im einzelnen ohne Änderungen
in der konkreten Schaltung, vom Meßwandler selbst einmal abgesehen, durch bestimmte,
im Rechner speicherbare Daten, geeignete Prüfsignale usw. vorgenommen wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Wandleranordnung gemäß
der Erfindung wurden folgende.Bauteile verwendet: Bauteil Typ Hersteller
| Als Vorverstärker |
| Chopperverstärker ICL 7650 |
| A/D-Wandler ICL 7104-16 Intersil1 |
| mit Pufferspeicher ICL 8052 |
| und Integrator |
| D/A-Wandler DAC 08 |
| # PMI2) |
| Operationsverstärker OP 27 , |
| Prozessor 8085 ) 3) |
| mit I/O-Bausteinen 8255 # Intel |
| und mit Speicher RAM 5101 |
als Schalter Reed-Relais V23100.V4312C000 Siemens AG,BRD Filter CA 3130 RCA ) Pufferspeicher
SN 74-LS 373 Texas Instruments5) 1) Intersil Inc., Cupertino, Cal. /USA 2) PMI Precision
Monolithics Inc.
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Santa Clara, Cal. /USA 3) Intel Corporation Santa Clara, Cal. /USA
4) RCA Solid State Sommerville N.J. /USA 5) Texas Instruments Dallas, Texas /USA