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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegebenen Art.
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Um bei bekannten Signalverarbeitungsgeräten eine Nullpunktverschiebung
des Meßsignals, d.h. eine Verschiebung des Gleichspannungsanteils, zu erreichen,
sind aufwendige Maßnahmen erforderlich, die insbesondere eine Einspeisung von veränderlichen
Spannungspegeln zu internen Schaltungspunkten der Meßverstärker erfordern. Dabei
ist die Auswirkung der jeweiligen Verschiebung von vornherein nur schwer zu beurteilen,
so daß entsprechend dem vorgesehenen Anwendungsfall eine Eskalierung der einzuspeisenden
Spannungen vorgenommen werden muß, die an den entsprechenden Anwendungsfall anzupassen
ist. Insbesondere ist auch nachteilig, daß bei einer automatischen Nullpunktkompensation
die Driftspannungen innerhalb einzelner Verstärkerstufen ebenfalls in das Ergebnis
eingehen und insoweit eine vollständige Kompensation des Gleichspannungsbezugspunktes
verschiedentlich nur mit aufwendigen Maßnahmen erreichbar ist.
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Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Eingangsschaltung der vorstehend genannten Art anzugeben, bei der eine Nullpunktkompensation
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Calibration des Gerätes auf einfache Weise möglich ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei der Verwendung eines
nach Art eines Operationsverstärkers poten-
tiometrisch geschalteten
Signalverstärkers die Einspeisung eines zusätzlichen eine gleichspannungsmäsige
Verschiebung des Signals hervorrufen, die Spannung ohne Beeinflussung weiterer Signalstufen
möglich ist. Da an diesem Punkt kein Potential gegen den Bezugspegel für die Eingangsspannung
führt, entfällt auch eine störende Rückwirkung des Signals auf die Quelle der Kompensationsspannung.
Durch Abgleich mit einem Bezugssignal kann ein Gleichspannungsabgleich bei Pausen
in der Signalaufnahme zwischen periodisch erscheinenden Eingangssignalen regelmäßig
vorgenommen werden, so daß die Anforderungen an die Driftfreiheit der Gleichspannungsverstärker
entsprechend herabgesetzt sind.
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Bei einem Meßgerät mit digitaler Signalverarbeitung wird die Gleichspannungskompensation
bevorzugt in der Weise durchgeführt, daß, gesteuert von dem digitalen Signalverarbeitungsteil
über einen Digital-Analog-Wandler, ein analoges Signal konstanter Amplitude generiert
wird, welches dem Eingang des potentiometrisch beschalteten Operationsverstärkers
am Punkt der virtuellen Masse zugeführt wird, wobei über einen weiteren Analog-Digital-Wandler
ein Kompensationssignal eingespeist wird, welches solange verändert wird, bis in
dem analogen Eingangsteil des Meßgerätes des nachgeschalteten digitalen Auswertungsteils
das Ausgangssignal "null" erscheint. Für die weitere Verarbeitung bestehen zwei
Möglichkeiten, wobei entweder das Kompensationssignal analog während der nachfolgenden
Meßvorgänge weiter eingespeist wird oder aber bei diesen Messungen unter Abschaltung
des analogen Kompensationssignals die digitalen Ergebnisse um den digitalen Zahlenwert
korrigiert werden, der dem analog einzuspeisenden Kompensationssignal entspricht.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der eben beschriebene
Signalweg zur Calibrierung, d.h. Linearisierung des analogen Eingangsteils herangezogen.
Dabei wird in den zur Calibrierung zur Verfügung stehenden Zeitintervallen zwischen
aufeinanderfolgenden Meßvorgängen ein Analogsignal eingespeist, welches über den
Digital-Analog-Wandler mittels eines digitalen Signals erzeugt wird, welches in
vorzugsweise äquidistanten Stufen verändert wird. Das am Ausgang des dem Meßverstärker
nachgeschalteten Analog-Digital-Wandlers erscheinende digitale Ausgangssignal wird
in seinen verschiedenen Stufen mit dem ursprünglichen stufenweise veränderten digitalen
Eingangssignal verglichen und Ein- und Ausgangssignale gemeinsam in einem Speicher
nach Art einer Tabelle abgelegt. Auf diese Weise können alle digitalen Signalwerte
mittels der Tabelle korrigiert werden, so daß eine lineare Signalübertragung über
den gesamten Eingangsbereich sichergestellt ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Anwendung
auch bezüglich des Wechselspannungsverhaltens des Eingangsteils möglich. Die Calibrierung
erfolgt in günstiger Weise getrennt für unterschiedliche Meßbereiche, wobei ein
Abfragesignal,das die Position der Eingangsteiler kennzeichnet, zur Adressierung
von in unterschiedlichen Speicherbereichen festgehaltenen, den unterschiedlichen
Meßbereichen zugeordneten Digitalwerten dient.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu-
sammen mit der Beschreibung
der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigen: Figur 1 eine Gesamtschaltung des erfindungsgemäßen Eingangsteils mit Teilerstufen
mit Verstärkern und Kalibriermöglichkeit sowie Figur 2 Einzelheiten des Calibrierteils.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Eingangsteil wird über eine geschirmte
koaxiale Eingangsbuchse, beispielsweise eine BNC-Buchse, das Eingangssignal der
Schaltung zugeführt. Diese ist zunächst mit dem Sicherheitsvorwiderstand Rll verbunden.
Dieser Vorwiderstand muß einen großen Wert aufweisen, spannungsfest und hochgenau
sein.
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Parallel dazu geschaltet ist der Beschleunigungseingangskondensator
Cll, der ebenfalls aus Sicherheitsgründen hochspannungsfest sein muß. Er wird vorteilhafterweise
in einer Mehrlagenkarte durch zwei Kondensatorbelege gebildet, die in ihrer Fläche
entsprechend im Innern der Mehrschichtkarte durch zwei auf verschiedenen Ebenen
befindlichen und durch das Basismaterial als Dielektrikum getrennten Metallbelegen
dargestellt werden. Man verwirklicht auf diese Weise den sonst sehr teuren Spezialkondensator
in einer hochsicheren Ausführung ohne zusätzliche Kosten.
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Außerdem müssen die Bauelemente an diesem unmittelbaren Eingangsteil
entsprechende Kriechstrecken aufweisen, desgleichen auch der Abstand der Befestigungsbohrungen
in der Leiterkarte.
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Dem Vorwiderstand nachgeschaltet ist der Betriebsartenschalter (BAS).
Er dient auch als Einschalter des Gerätes.
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In der ersten, der gezeichneten Position (OFF) ist das Gerät ausgeschaltet,
der Eingangswiderstand des Gerätes wird aus dem Widerstand Rll und dem in Reihe
geschalteten Widerstand R12 gebildet.
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In der zweiten Position DC (DIRECT CURRENT) wird der Vorwiderstand
über den Schalterbügel mit dem Eichteiler verbunden. Gleichzeitig wird mechanisch
parallel ein weiterer Schalterbügel im BAS-Code-Schalter bewegt, der das Gerät einschaltet.
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In der dritten Stellung des BAS, der Stellung GD (GROUND) wird der
Vorwiderstand Rll wie in der Schalterstellung OFF mit dem Ergänzungswiderstand R12
zum Eingangswiderstand zusammengeschaltet, während gleichzeitig die zweite Schalterbrücke
des BAS den Eingang des Eichteilers über einen dem Eingangswiderstand R10 äquivalenten
Widerstand R13 an die zentrale Meßmasse legt, um in der Stellung GROUND einen auf
Masse liegenden Meßgeräte-Eingang zu simulieren.
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In der vierten Stellung des BAS schließlich, der Stellung AC (ALTERNATING
CURRENT) wird der Vorwiderstand R10 über einen spannungsfesten Koppelkondensator
C10 an die Eichteilerschaltung angeschlossen. Gleichzeitig wird mechanisch parallel
ein weiterer Schalterbügel im BAS-Code-Schalter bewegt, der diese Stellung an die
digitale Auswertung der Schalterstellung meldet.
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Da der Koppelkondensator in einem hochohmigen Schaltungsteil arbeitet,
wird die Forderung nach sehr niedriger Koppelzeitkonstante erfüllt.
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Die Verbindung des Vorwiderstandes mit der Eichleitung gestattet es
nun, über den Meßbereichsdekadenschalter (MBSD) die Widerstände R13 und R14 so mit
virtueller Masse oder reeller Masse zu verbinden, daß sich die in Tabelle genannten
Verstärkungen für den potentiometrisch beschalteten Videovorverstärker in den Schalterpositionen
1 bis 11 ergeben, wie es theoretisch bei der Erläuterung des Eichteilers beschrieben
und in Kombination mit dem zweiten Stufenmeßbereichsschalter notwendig ist.
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Den Stromteilerwiderständen R13, R14, R15 sind jeweils die Kondensatoren
C13 und C16, C14 und C17 bzw. C15 parallel geschaltet. Sie bilden die Kompensationskondensatoren,
die im vorherigen Abschnitt erläutert wurden. Die Kombination jeweils aus einem
Trimm- und einem Festkondensator verbessert die Einstellbarkeit und den Temperaturkoeffizienten.
Der MBSD wird aus einem Zwei-Ebenen-Schalter mit elf Stufen gebildet.
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Zwei Schalterbrücken verbinden in den ersten Schalterpositionen die
Stromteilerwiderstände über den Kalibrationsschalter mit dem potentiometrischen
Eingang des Vorverstärkers V1. Von der fünften Position an verbindet zunächst der
zweite Kurzschlußbügel den Widerstand R14 mit der zentralen Meßmasse, während der
Widerstand R13 noch am potentiometrischen Eingang liegt, um dann von der achten
Schalterposition an bis zur offenen Position beide Wider-
stände
mit Meßmasse zu verbinden. Die Aufgliederung der Schalterkontakte, die den Massekontakten
gegenüberliegen in der gezeichneten Konfiguration ermöglicht es, mit zwei Schleiferbrücken
alle Varianten der geforderten Konjunktionen zu erreichen.
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Wie bereits erläutert, ist der Summenpunkt bezogen auf das System
ein sehr wesentlicher Punkt der gesamten Analogschaltkreise. Er dient nicht nur
als virtuelle Masse für die Stromteilerschaltung, sondern stellt gleichzeitig folgende
wichtige Systempunkte dar: Summenpunkt für die Zuführung des vom DAC erzeugten Korrekturstromes
zur automatischen Nullpunktkorrektur am Eingangspunkt des gesamten aktiven Verstärkerzuges.
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Summenpunkt für die Zuführung des vom DAC erzeugten Korrekturstromes
zur Nullpunktverschiebung, zur Erzeugung einer elektronischen Kompensationsspannung
für ein mit einer Gleichspannung unterlegtes Wechselspannungssignal (elektronische
AC-Kopplung).
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Meßpunkt der Offsetspannung des Operationsverstärkers V1 mit Hilfe
des Simulationswiderstands R35, der über den durch den mikroprozessorgesteuerten
Schalter M in dieser Meßphase gegen die zentrale Meßmasse gelegt wird.
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Summenpunkt für die Zuführung des von der Eichleitung kommenden Signalstroms
über den Schalter S1.
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Dieser Summenpunkt des potentiometrisch beschalteten Verstärkers dient
also der automatischen Kalibration des ge-
samten analogen Systems.
Geht man von der Tatsache aus, daß die vor dem Summenpunkt befindliche Betriebsarteneinstellung
und auch der Meßteiler passive Netzwerke aus Präzisionselementen mit niedrigem Temperaturkoeffizienten
darstellen, die eine erhebliche Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit aufweisen,
erlaubt die Autokalibration die permanente, d.h. im Betrieb vor jeder Meßfolge des
intermittierenden Meßbetriebes oder auch in anderen Fällen vor jedem einzelnen Meßzeitpunkt
(vor jeder Probeentnahme des Samplevorganges) eine automatische Nullpunktkorrektur
und sogar eine Eichung der Linearität des gesamten Systems einschließlich des Analog-Digital-Wandlers.
Es ist auch möglich, mit diesem System vom Mikroprozessor aus über ein - beispielsweise
12 bit- - Signal den DA-Wandler (DAC) so zu steuern, daß dem Signaleingang schrittweise
innerhalb des gesamten Ubertragungsbereichs Gleichspannungsschritte zugeführt werden,
so daß über den Analog-Digital-Wandler Bit für Bit dem Mikroprozessor zum Vergleich
und damit zur Ablage einer Eichtabelle angeboten wird. Die Autokalibration geht
im einzelnen wie folgt vor sich: Phase I: Der Mikroprozessor legt einen Schalter
S32 in Arbeitslage und mißt die Offset-Spannung über den Widerstand R35.
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Phase II: Da dem Mikroprozessor über die BAS-Codierung bekannt ist,
welcher Meßbereich eingeschaltet ist, kennt er den Quellwiderstand der Eichleitung
vom Summenpunkt aus gesehen. Somit kann er mit dem Meßwert der Phase I die Offset-Spannung
ausrechnen, die dem jeweiligen Quellwiderstand entspricht und diese über den DAC
in der Phase III zu führen.
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Phase III: Der Mikroprozessor führt bei geöffnetem Schalter S31 über
den DAC dem Operationsverstärkerzug, über den ADC schrittweise Eichsignale wieder
dem Mikroprozessor in digitalisierter Form zu. Der Mikroprozessor legt eine entsprechende
Eichtabelle ab, um die in Phase IV eintreffenden zu messenden Signale kalibrationsgerecht
bewerten zu können.
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Phase IV: Der Schalter S32 wird geöffnet, der Schalter S31 geschlossen
und die Meßphase kann beginnen. Während der Meßphase wird über den DAC die bei der
Phase II ermittelte Nullpunktkorrekturspannung zugeführt, um das Fester des ADC
optimal nutzen zu können.
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Die Einführung des Autokalibrationssystems hat zwei entscheidende
Vorteile. Einmal konnte damit erreicht werden, daß die Nullpunktstabilität und Temperaturdrift
der gesamten analogen Stufen gewährleistet werden kann und demzufolge der Aufwand
für diese Stufen in Grenzen bleiben kann. Zum Beispiel brauchen im zweiten Eichteiler
keine Präzisionswiderstände verwendet werden. Die Temperaturdrift der Halbleiterbauelemente
und der passiven Bauelemente spielt keine erhebliche Rolle mehr. Der entscheidende
Vorteil liegt jedoch in der Langzeitstabilität und der damit erreichten hohen Zuverlässigkeit,
die bisher bei Niedrigpreisgeräten dieser Größenklasse undenkbar war.
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Abgesehen von diesen wertanalytischen und zuverlässigkeitsorientierten
Aspekten gibt es noch eine ganze Reihe von Gründen, die dieses Systemprinzip für
Spezialanwendungen prädestinieren. Zum Beispiel dann, wenn ein Hochgeschwindigkeits-Digital-Analog-Wandler
Verwendung findet.
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In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Anordnung zum Calibrieren
näher dargestellt.
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Während im Meßbetrieb vom Meßeingang 301 über einen Umschalter 302
das Eingangssignal im Analogverarbeitungsteil über eine Pegelanpassung 303 mit umschaltbaren
Widerständen zu der nachgeschalteten Operationsverstärkerschaltung 304 über einen
Analog-Digital-Wandler (ADC) 305 zu einem Verarbeitungs- und Anzeigeteil 306 gelangt,
wo eine Anzeige des erfaßten Analogmeßwert mit digitalen Mitteln erfolgt.
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Der Operationsverstärker 304 weist Widerstände R301 und R302 auf,
welche in potentiometrischer Beschaltung die Verstärkung bestimmen, wobei die Umschaltmittel
303 bevorzug den Widerstand R301 zugeschaltet werden bzw. diesen Wert selbst verändern,
wie es weiter oben dargestellt ist.
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Um Verarbeitungsfehler im Analogverarbeitungszug zu kompensieren,
sofern sie auf Gleichspannungs- oder Linearitätsfehlern beruhen, wird für die einzelne
Meßbereiche regelmäßig eine Calibrierung durchgeführt. Diese Calibrierung wird zwischen
einzelnen Meßzyklen vorgenommen und durch ein Signal "Start" ausgelöst, welches
vom System entsprechend erzeugt wird. Die Calibrierung erfolgt jeweils für den durch
einen Bereichswahlschalter 307 eingestellten Meßbereich, wobei der Bereichswahlschalter
ein Digitalsignal abgibt, welches eine Umschaltung (Block 308) aktiviert, die die
einzelnen im Block 303 enthaltenden Widerstände so einstellt, daß über den Operationsverstärker
304 das Analogsignal entsprechend dem gewünschten Signalpegel
beeinflußt
wird. Das Ausgangssignal des Bereichswahlblocks 307 bildet gleichzeitig die digitale
Adressierung eines RAMs 309, welches in digitaler Form die Korrekturwerte aufnimmt,
die eine Kompensation in Richtung der gewünschten Calibrierung bewirken. Das Ausgangssignal
des Bereichswahlschalters adressiert jeweils Adressen der Bereiche im RAM 309. Dieses
Signal enthält dabei also die höherwertigen Bits des Gesamtadressensignals.
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Das im adressierten Speicherplatz des RAMs enthaltene digitale Signal
wird einem Digital-Analog-Wandler 310 zugeführt, dessen analoges Ausgangssignal
über einen Widerstand dem virtuellen Massepunkt des Operationsverstärkers 304 zugeführt
wird. Als wesentlicher Vorteil ergibt sich somit, daß der Korrekturwert stets jeweils
nur dem relativen Fehler entspricht und vom gewählten Bereich unabhängig ist. Damit
wird die in den digitalen im RAM 309 gespeicherten Werten enthaltene Information
optimal genutzt.
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Und ermöglicht eine direkte Aussage bezüglich der relativen Abweichung.
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Ist ein bestimmter Meßbereich eingestellt, wird ein Calibriervorgang
für diesen Meßbereich durch das Eingangssignal "Start" ausgelöst. Der Ausgang "000"
eines Zählers 311 sperrt im "HIGH"-Zustand über einen invertierenden Eingang des
UND-Gatters 312 die über dessen anderen Eingang und ein ODER-Gatter 313 an seinen
Takteingang gelangenden Signale. Bei der Aktivierung über den Eingang "Start" wird
der Zähler in den Zustand "001" gesetzt, so daß das Signal am entsprechenden Ausgang
in den Zustand "LOW" übergeht. Dadurch wird der Schalter 302 umgesetzt, so daß der
Analogverarbeitungszug
mit dem Ausgangssignal eines Pegelgenerators 314 verbunden ist, der in Stufen Signale
erzeugt, welche sich über den gesamten Meßbereich erstrecken. Der Pegelgenerator
314 wird insoweit ebenfalls vom digitalen Ausgangssignal des Bereichswahl-Blocks
307 beeinflußt. Das am Ausgang des Zählers erscheinende Signal "000" gelangt über
einen Inverter 315 nicht nur zum Umschalter 302, sondern auch zu einem UND-Gatter
316, welches die Taktsignale eines Oszillators 317 zu einem weiteren Zähler 318
gelangen läßt. Die Ausgangssignale dieses Zählers 318 werden einerseits an den Eingang
des RAMs 309 übertragen und dort gegebenenfalls auf ein entsprechendes Signal hin
eingespeichert bzw. zu einem Multiplexer 319, der über einen entsprechenden Steuereingang
im Betriebzustand "calibrieren" das entsprechende digitale Signal zu dem Digital-Analog-Wandler
310 gelangen läßt, der das erwähnte Kompensationssignal erzeugt. Der Zähler 318
zählt von einem Anfangssignalzustand solange weiter bis das vom Analog-Digital-Wandler
305 über einen weiteren Multiplexer 320 zu einem Null-Detektor 321 geführte Signal
den Wert "null" anzeigt.
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Der Multiplexer 320 wird im Calibrierungszustand zu diesem Null-Detektor
321 hin durchgeschaltet, während im Meßbetrieb die Ausgangssignale des Analog-Digital-Wandlers
zur Anzeige 306 geleitet werden.
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Der Digital-Analog-Wandler ist so eingestellt, daß ein Ausgangssignal
"null" in etwa in der Mitte des Bereichs der Digitalwerte liegt, die den Digital-Analog-Wandler
ansteuern. Der Zähler 318 erzeugt damit während seines
Durchlaufs
eine von negativen zu positiven Werten hin verlaufende Kombinationsspannung. Das
Ausgangssignal " "null" des Null-Detektors, welches anzeigt, daß der korrekte Anzeigewert
durchlaufen wurde, hält den Zähler 318 an und sorgt - mittels eines über ein D-Glied
320 verzögerten Impulses - über den Eingang "Speichern" des RAMs 309 dafür, daß
der erreichte Wert des Zählers im adressierten Speicherplatz des RAMs festgehalten
wird. Bei dem ersten vom Pegelgenerator 314 abgegebenen Wert handelt es sich um
den Wert "null", so daß in diesem Fall zunächst die für die Nullpunktkompensation
erforderliche Einstellung des Digital-Analog-Wandlers 310 festgehalten wurde. Das
Signal am Aisgang des D-Glieds 320 setzt über den Eingang "Reset" in Zähler 318
zurück und über den Takteingang des Zählers 311 diesen um einen Wert voran. Dadurch
wird der Pegelgenerator 314 auf die erste Stufe gesetzt, so daß dieser ein analoges
Signal von einem bestimmten Bruchteil des maximalen Eingangssignals abgibt.
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Sein Endzählerstand entspricht dabei dem maximalen Eingangssignalwert
des betreffenden Meßbereichs. Das Ausgangssignal des Zählers gelangt außerdem zum
RAM 309 und bildet dort die niederwertigeren Bits der Adresse, so daß mit fortschreitendem
Stand des Zählers 311 die Zwischenwerte des RAMs 309 durchlaufen werden. Weiterhin
wird der digitale Null-Detektor mit dem aktuellen Wert des Zählers 311 beaufschlagt,
wobei dieser Wert von dem Wert abgezogen wird, der vom Multiplexer 320 zum Null-Detektor
321 gelangt. Damit gibt der Null-Detektor ein Ausgangssignal ab, sobald die beiden
Werte gleich sind - das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers also dem Erwartungswert
entspricht.
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Auf diese Weise wird ein bestimmter Meßbereich punktweise abgetastet
und eine Korrekturtabelle im RAM 309 abgelegt, so daß der Übertragungsbereich der
Analogstrecke durch die im Meßbetrieb durch aus dem RAM 309 erzeugte Korrektursignale
linearisiert wird. Die niederwertigen Bits des RAMs 309 werden durch den entsprechend
eingestellten Multiplexer 322 im Meßbetrieb durch das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers
305 adressiert, so daß die Ermittlung des Korrekturwertes durch den Meßwert selbst
erfolgt. Angezeigt wird der sich nach mehreren Meßzyklen einstellende Wert, da der
Meßwert sich durch die Korrekturwerte gegebenenfalls noch verändert.
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Bei einer anderen Ausführung der Erfindung wird nun lediglich eine
Nullpunktkorrektur über dem Digital-Analog-Wandler 310 durchgeführt und für den
jeweiligen Meßbereich beibehalten, während die anderen ermittelten Korrekturwerte,
die im RAM 309 enthalten sind, nicht zu einer Veränderung des Ausgangssignals des
Digital-Analog-Wandlers 310 führen, sondern direkt den in der Anzeige 306 wiedergegebenen
Wert arithmetisch berichtigen, wobei bei der Addition des entsprechend dem Meßbereich
im RAM adressierten Wert der Speicherinhalt jeweils noch arithmetisch digital mit
dem Ausgangssignal der Bereichswahl 307 verknüpft wird.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend
angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten
denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten
Ausführungen Gebrauch machen.