DE3226305A1

DE3226305A1 - Method for compensating for differential errors in analog/digital measuring systems which operate in accordance with the method of progressive approximation

Info

Publication number: DE3226305A1
Application number: DE19823226305
Authority: DE
Inventors: Harald Dr. 4405 Nottuln Berlin; Wendelin 4400 Münster Dewenter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-07-14
Filing date: 1982-07-14
Publication date: 1984-01-19

Abstract

This object is achieved by the following rule for allocating the digitised measurement values: provided that the binary combination between two adjacent digital measurement values m and m + 1 changes by more than one binary position, the adjacent binary numbers thus distinguished are jointly allocated to a new value. In principle, this method makes it possible to solve problems requiring high differential linearity of the measuring system (e.g. pulse amplitude analysis of static events) in a better and simpler manner.

Description

Beschreibung description

zum Patenterteilungsantrag Verfahren zur Kompensation von differentiellen Fehlern bei Analog - Digitameβsystemen, , die r, nar:ti r:i t' Me tt10dr! d2l der sukzessiven i Approximation 1 t i 1 i t, Anwendungsgebiet : Die Erfindung beschreibt ein Verfahren , mit dem die differentiellen Fehler eines Analog - Digitalmeßsystems ( sukzessive Approximation ) kompensiert werden. Diese Fehler machen sich besonders in Kombination mit einem vorgeschalteten Analogspeicher ( z.B. Sample and Hold Peak - Holder ) aufgrund des prinzipiell bedingten Spannungsabfalls ( Droop Rate ) während der Speicher -zeit bemerkbar.to the patent application Procedure for compensation of differential errors in analog - digitame systems,, the r, nar: ti r: i t 'Me tt10dr! d2l of the successive i approximation 1 t i 1 i t, field of application : The invention describes a method with which the differential error of a Analog - digital measuring system (successive approximation) can be compensated. These Errors are particularly common in combination with an upstream analog memory (e.g. sample and hold peak holder) due to the voltage drop that is caused in principle (Droop rate) noticeable during the storage time.

Zweck Das Verfahren dient dem Zweck , die differentielle Nichtlinearität von Analog - Digitalmeßsystemen zu ver -bessern , wobei gleichzeitig der Schaltungs - und Her -stellungsaufwand verringert werden kann.Purpose The method serves the purpose of differential non-linearity of analog - digital measuring systems to improve, while at the same time the circuit - and manufacturing costs can be reduced.

Stand der Technik Die Methode der sukzessiven Approximation findet im Ver -gleich zu den sonstigen Analog - Digitalumsetzverfahren ( z.B. Dual - Slope etc. ) immer breitere Verwendung.State of the art The method of successive approximation takes place Compared to the other analog-digital conversion processes (e.g. dual-slope etc.) ever wider use.

Eine der Ursachen hierfür ist das günstige Preis - Lei -stungsverhältnis ( kurze Convertierzeiten , hohe Auf -lösung ). Bei vorgeschalteten Analogspeichersystemen tritt folgendes grundsätzliches Problem auf. Bisher läßt sich der fehlerverursachende Einfluß des Spannungs -abfalls auf die differentielle Linearität nicht ver -meiden. Bei Einsatz von hochauflösenden ADC ' s müssen daher sehr hochwertige Analogspeichersysteme mit sehr geringem Spannungsabfall verwendet werden. Solche hoch -wertigen Analogspeichersysteme sind sehr kostenintensive Komponenten in Analog - Digitalmeßsystemen. Dennoch bleibt der auf den Spannungsabfall zurück zu führende differentielle Feiner prinzipiell erhalterl , da sich der Spannungsabfall nicht vollständig vermeiden läßt. One of the reasons for this is the favorable price-performance ratio (short converting times, high resolution). With upstream analog storage systems the following fundamental problem occurs. So far, the error causing Do not avoid the influence of the voltage drop on the differential linearity. When using high-resolution ADCs, very high-quality analog storage systems are therefore required can be used with a very low voltage drop. Such high-quality analog storage systems are very expensive components in analog - digital measuring systems. Still remains the differential finer, which can be traced back to the voltage drop, in principle obtainable, since the Do not completely avoid voltage drop leaves.

Aufgabe : Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , den differ -entiellen Fehler von Analog - Digitalmeßsystemen zu reduzieren und gleichzeitig den Schaltungs - und Her -stellungsaufwand zu vermindern.Task: The invention is based on the task of the differential Reduce errors of analog - digital measuring systems and at the same time reduce the circuit - and to reduce manufacturing costs.

Lösung Da es sich bei den differentiellen Fehlern um systema -tische Fehler handelt , lassen sie sich analytisch beschreiben. Es läßt sich ein Verfahren angeben , daß diese Fehler praktisch beseitigt.Solution Since the differential errors are systematic Error, they can be described analytically. It can be a process indicate that practically eliminates this bug.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Zuord -nungsforschrift der erhaltenen Meßwerte gelößt Unter der Bedingung , daß sich zwischen zwei benach -barten digitalen Meßwerten m und m + 1 die Binarkombi -nation um mehr als eine Binärstell e ändert , werden die so ausgezeichneten benachbarten Binärzahlen gemeinsam einem neuen Wert zugewiesen. According to the invention, the object is achieved by the following assignment formula of the measured values obtained under the condition that between two adjacent -being digital measured values m and m + 1 the binary combination -nation by more than one If the binary digit changes, the neighboring binary numbers marked in this way become common assigned a new value.

Folgender Algorithmus erfüllt zum Beispiel diese Au,fgabe. The following algorithm, for example, fulfills this task.

Jeder digitalisierte Meßwert wird um eins erhöht und anschließend durch zwei dividiert. Das ganzzahlige Resultat ( Nachkommastellen werden nicht berücksichtigt ) stellt den korrigierten Meßwert dar. Bei einer ge -wünschten Auflösung von N - Bit muß also ein ADC von N + 1 - Bit Auflösung gewählt werden. Der korrigierte Meßwert hat eine Länge von N - Bit. Nach der auf diese Weise erfolgten Zuordnung wird der differentielle Fehler nicht nur um den Faktor Zwei reduziert , sondern das obige Verfahren beseitigt den Fehler nahezu vollständig. Each digitized measured value is increased by one and then divided by two. The whole number result (decimal places are not taken into account ) represents the corrected measured value. With a desired resolution of N - Bit an ADC with N + 1 - bit resolution must be chosen. The corrected reading has a length of N bits. After the assignment has been made in this way, the differential error not only reduced by a factor of two, but the above Procedure eliminates the error almost completely.

Dieses Verfahren erfordert , daß der Spannungsabfall innerhalb der Kanalbreite ( 1 LSB ) des AD bleibt. This method requires that the voltage drop be within the Channel width (1 LSB) of the AD remains.

Anwendungsbeispiel : Mit diesem Verfahren läßt sich ein ADC zur Pulshöhen -analyse ( PH ) realisieren. Hierzu muß das Meßsystem eine hohe differentielle Genauigkeit aufweisen und Impulse von kurzer Dauer verarbeiten können.Application example: With this procedure an ADC can be used for pulse heights -analysis (PH). For this purpose, the measuring system must have a high differential accuracy have and Can process impulses of short duration.

Vorteile Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen in der Verringerung des diFferentiellen Fehlers von Analog -Digitalmeßsysternen. Bei Applikationen , die hohen An -forderungen an die differentielle Lineari'>at genügen müssen , lassen sich einfachere und preiwertere Korn -ponenten verwenden. Dadurch lassen sich die Kosten solcher Systeme reduzieren.Advantages The advantages that can be achieved with the invention lie in the Reduction of the differential error of analog-digital measuring systems. With applications , which have to meet high demands on the differential linearity , simpler and cheaper components can be used. Let through it reduce the cost of such systems.

Die zur Zeit gebräuchlichen PH - ADC t s arbeiten in der Regel nach dem Zählverfahren ( z.B. Dual - Slope ). The currently used PH - ADC t s usually work afterwards the counting method (e.g. dual slope).

S-ie zeichnen sich zwar durch eine besonders hohe differentfelle- Linearität aus , haben aber den Nachteil einer prinzipiell längeren Convertierzeit im Vergleich zu der Analog - Digitalumsetzung nach der Methode der sukzessiven Approximation. Aufgrund der Einfachheit der oben beschrieben Methode zur Reduzierung von differen -tiellen Fehlern kann das oben genannte Verfahren leicht hardewareäßig oder auch bei Verwendung eines Rechners softwaremäßig realisiert werden. They are characterized by a particularly high differential Linearity, but have the disadvantage of a generally longer converting time in comparison to the analog-digital conversion using the successive approximation method. Due to the simplicity of the method described above to reduce differen -tial errors, the above-mentioned procedure can be easily hardware-wise or also can be implemented in software when using a computer.

Ausführungsbeispiel : Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen darge -stellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fip. 1 das Blockschaltbild eines Versuchsaufbaus zur Pulshöhenanalyse von Spannungsimpulsen eines ozinti -llationszählers bei einer Energiemessung von radio -aktiver Strahlung. Ein Komparator schaltet durch wenn ein Impuls kommt und startet über Logikschalt -kreise den Meßablauf des PH - ADC g s. Die Impuls -höhe wird von einem Peak - Holder solange gespeichert bis das ADC diesen analogen Wert in eine digitale In -formation umgesetzt hat. Die Logikeinheiten übernehmen die zeitlich richtige Bedienung des Peak - Holders sowie des ADC. Die Verarbeitung de; digitalisierten Meßwerte erfolgt in diesem Beispiel mit einem Mikro -rechner ( Apple ).Exemplary embodiment: An exemplary embodiment is shown in the drawings darge and is described in more detail below. It show Fip. 1 the block diagram an experimental setup for pulse height analysis of voltage pulses from an oscillation counter when measuring the energy of radioactive radiation. A comparator switches through when an impulse comes and starts the measuring process of the PH via logic circuits - ADC g s. The pulse height is stored by a peak holder until the ADC has converted this analog value into digital information. The logic units take over the correct timing of the peak holder and the ADC. the Processing de; digitized measured values are carried out in this example with a micro calculator (Apple).

Fig. 2 a ein mit obigem Aufbau ( Fig. 1 ) gemessenes Vielkanalspektrum ( Energiespektrum ) eines Co57 Präparates bei dem das genannte Korrekturverfahren zur Reduzierung der differentiellen Fehler angewendet wurde.2 a shows a multichannel spectrum measured with the above structure (FIG. 1) (Energy spectrum) of a Co57 preparation in which the mentioned correction procedure was applied to reduce the differential error.

( Auflösung 8 - Bit , 256 Kanäle ).(8-bit resolution, 256 channels).

Fig. 2 b ein Energiespektrum von Co57 ohne das Korrek -turverfahren ( Auflösung 8 - Bit , 256 Kanäle ).2b shows an energy spectrum of Co57 without the correction method (8-bit resolution, 256 channels).

Aufgrund der großen Kanal inhalte aus Fig. 2 a und Fig. 2 b bleibt der relative statistische Fehler in dieser Darstellung klein. Die Streuungen im Spektrum von Fig. 2 b sind daher im wesentlichen auf die diffe -rentiellen Fehler des Analog - Digitalmeßsystems zu -rückzuführen.In Fig. 2 a zeigt sich nach Anwendung des Korrekturverfahrens , daß der differentielle Fehler kleiner gleich dem relativen statistischem Fehler ist.Due to the large channel content from Fig. 2a and Fig. 2b remains the relative statistical error in this representation is small. The scatter in the Spectrum of Fig. 2b are therefore essentially due to the differential error of the analog-digital measuring system to -return.In Fig. 2a shows after application of the correction method that the differential error is less than or equal to the relative error statistical error is.

Fig. 3 eine vergleichende Darstellung von Ausschnitten aus Fig. 2 a und Fig. 2 b . Der Vergleich demonstriert die Wirksamkeit des Korrekturverfahrens. Die durchge -zogene Linie gibt den Ausschnitt aus Fig. a wieder die gestrichelte Linie den Ausschnitt aus Fig. 2 b.FIG. 3 shows a comparative illustration of excerpts from FIG. 2 a and Fig. 2 b. The comparison demonstrates the effectiveness of the correction procedure. The solid line shows the section from FIG. A again the dashed line Line the section from Fig. 2 b.

Second Printing , January 1980 Datel - Intersil Attn : Marketing Dept, 11 Cabot Boulevard Mansfield , MA 02048 USA ( Seite : 44 - 46 und 163 - 165 ) 2 Data Acquisition Components and Subsystems Analog Devices , Inc. 1980 Route One Industrial Park , P.D. Second Printing, January 1980 Datel - Intersil Attn: Marketing Dept, 11 Cabot Boulevard Mansfield, MA 02048 USA (Pages: 44-46 and 163-165 ) 2 Data Acquisition Components and Subsystems Analog Devices, Inc. 1980 Route One Industrial Park, P.D.

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Claims

Claims preamble 1. Method for compensating digital Errors in analog / digital measuring systems that use the successive approximation method work.

Identifying part The procedure is assigned as follows -writing of the measured values obtained under the condition that between two neighboring digital measured values m and m + 1 the binary combination by more than one binary digit changes, the so marked neighboring binary numbers become assigned to a new value together.

Preamble of the dependent claim: 2. ADC measuring system for pulse height analysis according to claim 1, characterizing part of the sub-claim, characterized in that that the method shown in claim 1 for the production of a PH used and thereby a considerable improvement of the differential linearity was achieved could be.