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Verfahren und Meßschaltungsanordnung
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zur Driftkorrektur bei der Digitalisierung von Meßspannungen Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Driftkorrektur bei der Digitalisierung von
in einer einen mit einer Speise spannung gespeisten Messwertaufnehmer und einen
diesem nachgeschalteten Verstärkerteil umfassenden Messschaltung erzeugten driftabhängigen
Meßspannungen mit Hilfe eines im 3-Phasen/Doppelrampen-Betrieb arbeitenden Analog/Digital-Wandlers,
dessen Eingang zyklisch während einer ersten Messphase eine Null-Bezugsspannung,
während einer zweiten Messphase eine Meßspannung und während einer dritten Messphase
eine Referenzspannung zugeführt wird,sowie eine Meßschal'~ungsanordnung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Ein derartiges Verfahren bzw. eine entsprechende Schaltungsanordnung
zur Driftkorrektur ist aus der DE-OS 22 01 440 bekannt, wobei die Driftkorrektur
sich jedoch allein auf eine automatische Korrektur der Drift des Analog/Digital-Wandlers
selbst bezieht, während die Möglichkeit einer durch eine Alterung und/ oder durch
Temperaturänderungen usw. bedingten Drift der zu digitalisierenden Meßsignale nicht
in Betracht gezogen wird.
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Andererseits ergeben sich bei zahlreichen Messungen mehr oder weniger
starke Driften des Meßsignals, die auf Eigenschaften des Messwertaufnehmers selbst,
auf Eigenschaften des Verstärkerteils und auf Drifterscheinungen in der Speisespannungsquelle
für den Messwandler zurückzuführen sind und die folglich auch bei Einsatz eines
Analog/Digital-Wandlers mit automatischer Driftkorrektur zu Ungenauigkeiten in den
Messergebnissen führen, die in vielen Fällen nicht hingenommen werden können.
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Ausgehend vom Stand der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, auch diejenigen Drifteffekte zu korrigieren,
welche sich auf die Meßspannungen auswirken, um so zu digitalen Messergebnissen
zu gelangen, die eine hohe Genauigkeit besitzen, wobei gleichzeitig ein möglichst
geringer Aufwand für die Meßschaltungsanordnung für die Durchführung der entsprechenden
Messungen angestrebt wird.
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Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß man als Null-Bezugsspannung die Ausgangsspannung
der Meßschaltung bei statt an der Speisespannung auf Bezugspotential liegendem Eingang
derselben verwendet und daß man als Referenzspannung diejenige Ausgangsspannung
der Meßschaltung verwendet, die sich bein Anliegen einer zur Speisespannung proportionalen
Prüf-Referenzspannung am Eingang des Verstärkerteils ergibt' wobei das Bezugspotential
auch über die Speisespannungsquelle an den Eingang der Meßschaltung gelegt werden
kann, um Driften der Speisespannungsguelle zu korrigieren, wie sie sich beispielsweise
beim Einsatz von Operationsverstärkern ergeben.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich dabei eine
Meßschaltungsanordnung besonders bewährt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die
zu dem im 3-Phasen/Doppelrampen-Betrieb arbeitenden Analog/ Digital-Wandler gehörenden
Umschalteinrichtungen zwei Umschalteinheiten umfassen, von denen die eine Umschalteinheit
auf der Eingangsseite des Messwertaufnehmers liegt, um diesem wahlweise die Speisespannung
oder die Null-Bezugsspannung zuzuführen, und von denen die andere Umschalteinheit
auf der Eingangsseite des Verstärkers liegt, um diesem die Ausgangsspannung des
Messwertaufnehmers oder die zur Speisespannung proportionale Prüf-Referenzspannung
zuzuführen.
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Der entscheidende Vorteil von Verfahren und Meßschaltungsanordnung
gemäß der Erfindung besteht darin, daß durch die spezielle Wahl der Spannungen,
die dem Analog/ Digital-Wandler außerhalb der Messphasen zugeführt werden, nicht
nur die Drift des Wandlers selbst korrigiert wird, sondern auch die Drift der Meßschaltung
aus Messwertaufnehmer und Verstärkerteil einschließlich aller Driften der Speisespannungen
für den Meßwandler selbst und auch für den normalerweise mit einer weiteren Speisespannung
gespeisten Verstärkerteil.
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Diese vollkommene Driftkorrektur kann dabei im Gegensatz zu den Messverfahren
gemäß dem Stande der Technik, wie sie insbesondere bei elektronischen Waagen mit
Dehnstreifen-Wägezellen Anwendung finden, mit relativ einfachen Bauelementen realisiert
werden, da allenfalls
für die Erzeugung der Prüf-Referenzspannung
ein hochstabiler Spannungsteiler benötigt wird, während im übrigen auf mit extrem
hohem Aufwand stabiliserte Spannungsquellen, Operationsverstärker und dergleichen
verzichtet werden kann. In diesem Zusammenhang ist insbesondere zu beachten, daß
selbst der hochstabile Spannungsteiler dann entfallen kann, wenn beim Arbeiten mit
einem entsprechenden Messwertaufnehmer die Möglichkeit besteht, die Speisespannung
selbst als Prüf-Referenzspannung zu verwenden, was dem Proportionalitätsfaktor 1
entsprechen würde.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es zeigen: Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer Meßschaltungsanordnung
gemäß der Erfindung Fig. 2 ein detaillierteres Schaltbild der wesentlichen Teile
einer bevorzugten Ausführungsform einer Meßschaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
und zwar speziell für eine Waage.
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Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Analog/Digital-Wandler 10, welcher
gemäß den Lehren der DE-OS 22 01 440 im 3-Phasen/Doppelrampenbetrieb arbeitet, um
eine Driftkorrektur zu erreichen.
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Bei dem bekannten A/D-Wandler wird an dessen Eingang E außer der zu
digitalisierenden Meßspannung während der anderen Betriebsphasen zyklisch das Bezugspotential
für die gesamte Schaltungsanordnung bzw. eine Referenzspannung unmittelbar angelegt,
wodurch es möglich wird, die Drift der Operationsverstärker des A/D-Wandlers zu
korrigieren.
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Erfindungsgemäß wird mit dem Ziel einer Korrektur der übrigen Driften
der Meßschaltungsanordnung in der Weise vorgegangen, daß man zur Erzeugung der Null-Bezugsspannung
am Eingang E des Wandlers 10 den Eingang eines Messwertaufnehmers 12 über einen
ersten Umschalter R an Bezugspotential legt und daß man das dabei erhaltene Ausgangssignal
des Messwertaufnehmers 12 über einen zweiten Umschalter B und einen Verstärker 14
an den Eingang E des A/D-Wandlers 10 legt. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet,
daß bei der Kompensation der Null-Drift bzw. bei der automatischen Null-Stellung
auch die Driften des Messwertaufnehmers 12 und des Verstärkers 14 berücksichtigt
werden. Für den Fall, daß auch von seiten der Spannungsquelle 16,über die die Speisespannung
für den Messwertaufnehmer 12 erzeugt wird, Drifteffekte zu erwarten sind, kann ferner
für die automatische Null-Stellung so vorgegangen werden, daß
anstelle
einer Speisespannung, insbesondere einer stabilisierten Bezugsspannung, für die
Spannungsquelle 16 an dem betreffenden Schaltungspunkt die Null-Bezugsspannung der
Schaltungsanordnung angelegt wird, so daß das bei der automatischen Null-Stellung
am Eingang des A/D-Wandlers 10 anliegende- Signal auch die Drift der Speisespannungsquelle
berücksichtigt.
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Erfindungsgemäß wird ferner in der Betriebsphase, in der an den Eingang
E des A/D-Wandlers 10 gemäß dem Stande der Technik unmittelbar die Referenzspannung
angelegt wird, mit einer Eingangsspannung für den A/D-Wandler 10 gearbeitet, die
sich beim Anlegen an einer zur Speisespannung proportionalen Prüf-Referenzspannung
am Eingang des Verstärkers 14 ergibt, wobei diese Prüf-Referenzspannung UpR beim
Ausführungsbeispiel vom Ausgang eines Teilers 18 erhalten wird, dessen Eingang in
der schematisch dargestellten Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 direkt am Ausgang
der Spannungsquelle 16 liegt, jedoch in der Praxis unmittelbar an dem entsprechenden
Eingangsanschluß des Messwertaufnehmers 12 um den Einfluß von Leitungsverlusten
auf die Referenzspannung zu vermeiden, wobei während der betrachteten Betriebsphase
der Messwertaufnehmer 12 durch den Umschalter B vom Eingang des Verstärkers 14 getrennt
ist.
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Man sieht, daß durch die beschriebene Betriebsart für den A/D-Wandler
10 eine Kompensation aller Driften des Messwertaufnehmers und des Verstärkers sowie
gegebenenfalls der Spannungsquelle erreichbar ist und daß
lediglich
der Teiler 18 als hochstabiler Spannungsteiler ausgebildet sein muß - unter der
Voraussetzung, daß die Spannungsquelle 16 selbst keine hochstabile Ausgangs-Speisespannung
liefert. Ein derartiger hochstabiler Spannungsteiler kann aber mit den handelsüblichen
hochstabilen Spannungsteilerketten relativ kostengünstig realisiert werden.
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In Fig. 2 der Zeichnung ist eine praktisch erprobte Meßschaltungsanordnung
gemäß der Erfindung wesentlich detaillierter dargestellt, insbesondere um die vorstehend
angesprochenen Probleme mit der Drift der verschiedenen Baugruppen besser verdeutlichen
zu können.
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Im einzelnen umfasst die Meßschaltungsanordnung gemäß Fig. 2 wieder
einen Messwertaufnehmer 12, einen Verstärker 14, eine Spannungsquelle 16 und einen
Teiler 18 sowie einen A/D-Wandler 10. Der A/D-Wandler 10 ist dabei wie in Fig. 1
gemäß der DE-OS 22 01 440 aufgebaut. Der Messwertaufnehmer 12 ist als Wägezelle
bzw. - schematisch - als Dehnungsmeßstreifenbrücke mit zwei Eingangsanschlüssen
1,2 für die Brückenspeisespannung und mit zwei Ausgangsanschlüssen 3, o für die
andere Brückendiagonale dargestellt. Dabei ist in jede der Zuleitungen zu den Anschlüssen
1 bis 4 jeweils ein Hochfrequenzfilter F1 bis F4 eingefügt, dessen Bauelemente nur
für das Filter F1 angedeutet sind.
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Die Spannungsquelle 16 umfasst in der Schaltung gemäß Fig. 2 eine
mit Z-Dioden Z1 und Z2 arbeitende Referenzspannungsquelle zum Erzeugen einer Referenzspannung
UR,
welche über Operationsverstärker OP1 und OP2 an die Eingangsanschlüsse
1,2 der Brücke gelegt wird. Der Ausgang der Operationsverstärker OP1 und OP2 ist
dabei jeweils über das betreffende Filter F1 bzw. F2 auf dem zweiten Eingang des
betreffenden Operationsverstärkers zurückgekoppelt. Parallel zu diesem Eingang ist
jeweils ein weiterer Operationsverstärker OP3 bzw. OP4 angeschlossen, wobei die
Ausgänge dieser beiden weiteren Operationsverstärker OP3 und OP4 direkt auf deren
zweiten Eingang zurückgekoppelt sind und wobei zwischen diesen beiden zweiten Eingängen
der Teiler 18 liegt, der beim Ausführungsbeispiel durch eine Teilerkette mit fünf
Einzelwiderständen gebildet ist, die als hochstabile Widerstände ausgebildet sind.
Derartige Widerstände mit einer temperaturabhängigen Änderung von beispielsweise
1 bis 5 ppm/OC sind im Handel erhältlich und sorgen in einem weiten Temperaturbereich
für eine stabile Auflösung der Meßsignale. (Bei einer Waage gestattet die Teilerkette
aus mehreren Widerständen mit einem vorgegebenen hochstabilen Teilerverhältnis die
Erzeugung verschiedener Prüf-Referenzspannungen UpR entsprechend den gewünschten
Lastbereichen.
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Der in Fig. 2 der Zeichnung gezeigte Verstärker 14 ist ein in an sich
üblicher Weise aufgebauter Messverstärker aus Operationsverstärkern und Widerständen,
an dessen Ausgang ein 3-Pol-Filter liegt. Der aus der Zeichnung ersichtliche Aufbau
des Messverstärkers einschließlich des Filters macht deutlich, daß bei einem
derartigen
Verstärker bei vernünftigem schaltungstechnischem Aufwand eine gewisse Drift unvermeidlich
ist, die jedoch durch das erfindungsgemäße Verfahren voll korrigiert werden kann,
da sowohl die Null-Bezugsspannung als auch die der Referenzspannung entsprechende
Spannung für jeden Messzyklus entsprechend der Verstärkerdrift korrigiert werden.
Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, daß den Umschaltern A und B in Fig. 1 bei
der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 die Schalter S1 bis S4 entsprechen, die zu
zwei Umschalteinheiten mit jeweils zwei Schaltern S1, S2 bzw. S3, S4 zusammengefasst
sind. Die Steuerung der Schalter S1 bis S4 sowie des Schalters S5 des Analog/Digital-Wandlers
10 für die zyklisch aufeinanderfolgenden Phasen der einzelnen Messzyklen erfolgt
erfindungsgemäß vorzugsweise über einen Mikroprozessor 20, in dem im übrigen auch
die den Meßsignalen entsprechenden Digitalwerte in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen
des Analog/Digital-Wandlers 10 ermittelt werden, an dessen Ausgang vorzugsweise
ein Null-Flanken Flip-Flop FF liegt.