DE3642495A1 - Analog-digital-wandler, insbesondere fuer elektromechanische waagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler, insbesondere für elektromechanische Waagen mit einer Umwandlung der Gewichtskraft in ein elektrisches Signal durch Dehnungsmeßstreifen oder elektromagnetische Kraftkompensation, mit einem Integrator, dessen Ausgang mit einer Komparatorschaltung verbunden ist, deren Ausgangssignal eine Auswerteschaltung und eine zwei Schalter aufweisende Schalteranordnung speist, die es gestattet, eine erste oder eine zweite Referenzspannung als Rückkopplungssignal dem Eingangssignal zu über­ lagern.

Ein Analog-Digital-Wandler der eingangs genannten Art für die Verwendung in einem Digitalvoltmeter ist aus dem "Elektronik Journal 17/86", Seite 44 bekannt und verfügt über einen im Gleichgewicht gehaltenen dyna­ mischen Integrator, der kontinuierlich die Eingangs­ spannung mißt. Eine niederfrequente Rechteckspannung treibt dabei den Integrator über und unter zwei Ver­ gleichspegel zweier Komparatoren und erzeugt eine frequenzkonstante Arbeitsweise, die Probleme durch Restladungen im Kondensator des Integrators verhindert. Wenn der Integratorausgang die obere oder untere Trig­ gerschwelle erreicht, wird entsprechend eine positive bzw. negative Referenzspannung auf den Eingang des Integrators zurückgekoppelt. Solange der Integratoraus­ gang weder die obere noch die untere Triggerschwelle erreicht hat, wird keine Referenzspannung zurückgekop­ pelt. Bei der bekannten Schaltung ist der Eingangs­ widerstand verhältnismäßig klein, so daß sich Unli­ nearitäten bei der direkten Anwendung für eine elektro­ mechanische Waage ergeben und somit ein Präzisions-Vor­ verstärker zwischengeschaltet werden muß, der abgesehen von den zusätzlichen Kosten die Fehler bezüglich Rau­ schen und Drift wesentlich erhöhen würde und eine hochstabile Dehnungsmeßstreifen-Brückenversorgung erfordert. Ein weiterer Nachteil der bekannten Schal­ tung besteht darin, daß eine frequenzkonstante Arbeits­ weise mit einem eine Fremdansteuerung bewirkenden niederfrequenten Rechtecksignal erzwungen wird, das auch bei präzisester Ausführung eine Fehlerquelle bezüglich Rauschen und Drift darstellt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, einen Analog-Digital- Wandler zu schaffen, der sich durch einen hohen Ein­ gangswiderstand sowie wenig Fehlerquellen auszeichnet und mit wenigen nicht kritischen Bauteilen realisierbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Komparatorschaltung ein Schmitt-Trigger ist, dessen Ausgangssignal beide Schalter der Schalteranord­ nung wechselweise steuert und daß durch die Auswerte­ schaltung das Tastverhältnis des Ausgangssignals des Schmitt-Triggers auswertbar ist. Dadurch, daß der Eingangswiderstand durch einen dynamischen Abgleich mit Schaltern erfolgt, ergibt sich ein virtuell unendlich großer Eingangswiderstand. Beim Einsatz einer DMS- Brücke erfolgt ein Abgleich auf Null, so daß kein Strom in den Eingang fließen kann und keine Unlinearität entsteht. Somit kann auf einen Vorverstärker verzichtet werden. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Analog-Digital-Wandler gemäß der Er­ findung mit einer Ansteuerung durch eine Dehnungsmeßstreifenbrücke,

Fig. 2 einen Analog-Digital-Wandler für den Einsatz bei einer unsymmetrischen Eingangsspannung und

Fig. 3 eine besonders einfache Schaltung für den Einsatz einer Spannung mit einer vorgegebenen Polarität.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Präzisions-Analog- Wandlers für eine Waage, bei der vier Dehnungsmeß­ streifen 1, 2, 3, 4 zur Umwandlung der Gewichtskraft in ein elektrisches Signal verwendet werden, die als Vollbrücke geschaltet sind. Die Halbbrücken aus den Dehnungsmeßstreifen 1, 3 einerseits und den Dehnungs­ meßstreifen 2, 4 andererseits liegen zwischen dem positiven Pol 5 und dem negativen Pol 6 einer Referenz­ spannung, an deren Langzeitstabilität keine besonderen Anforderungen gestellt werden.

An den Anschlußpunkten 7 und 8 tritt eine Brückendia­ gonalspannung auf, derern Höhe ein Maß für die Brücken­ verstimmung ist. Die Anschlußpunkte 7, 8 können durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Kondensator überbrückt sein, um eine Signalglättung zu erreichen.

Der Anschlußpunkt 8 der Dehnungsmeßstreifenbrücke ist über eine Leitung 9 und einen Widerstand 10, der bei­ spielsweise einen Widerstandwert von 1 Kiloohm besitzt, mit dem invertierenden Eingang 11 eines als Integrator geschalteten Operationsverstärkers 12 verbunden. Der Ausgang 13 des Operationsverstärkers 12 ist über einen Integrationskondensator 14 von beispielsweise 0,1 µF mit dem invertierenden Eingang 11 verbunden. Der Ope­ rationsverstärker 12 ist so ausgewählt, daß er eine kleine Offsetspannungsdrift hat, um eine hohe Genauig­ keit des Analog-Digital-Wandlers zu erzielen.

Der als Integrator geschaltete Operationsverstärker 12 stellt einen im Gleichgewicht gehaltenen dynamischen Integrator dar, der kontinuierlich die auf der Leitung 9 liegende Eingangsspannung mißt. Der Ausgang 13 des Operationsverstärkers 12 ist über einen Widerstand 15 mit dem nichtinvertierenden Eingang 16 eines als Schmitt-Trigger geschalteten Operationsverstärkers 17 verbunden. Zwischen dem Ausgang 18 und dem nichtinver­ tierenden Eingang 16 liegt ein Kopplungswiderstand 19.

Der Ausgang 18 des als Schmitt-Trigger geschalteten Operationsverstärkers 17 speist einerseits den Eingang 20 einer Auswerteschaltung 21, die das Tastverhältnis der am Ausgang 18 auftretenden Rechteckimpulse be­ stimmt. Die Auswerteschaltung 21 kann dazu einen in der Zeichnung nicht dargestellten Torzähler und Mikropro­ zessor enthalten.

Das Tastverhältnis oder Puls-Pausen-Verhältnis ist dabei durch den Quotienten aus den Impulslängen am Ausgang 18 und der Summe der Impulslängen und Impuls­ pausen bestimmt. Bezeichnet man die Impulslängen mit T ₁ und die Impulspausen mit T ₂ so ergibt sich das von der Rechenschaltung in der Auswerteschaltung zu bestimmende Tastverhältnis A aus der Gleichung

Wie man in Fig. 1 erkennt, ist der Ausgang 18 über eine Leitung 22 mit der Steuerleitung 23 eines ersten Schalters 24 sowie über die Leitung 22, einen Inverter 25 und eine Steuerleitung 26 mit einem zweiten Schalter 27 verbunden. Die durch das Ausgangssignal des Opera­ tionsverstärkers 17 gesteuerten Schalter 24, 27 sind Halbleiterschalter und zwar insbesondere CMOS-Schalter oder MOS-FET-Schalter.

Die Schalter 24 und 27 liegen zwischen den Polen 5 und 6 in Reihe. Je nach dem, ob das Ausgangssignal des durch den Operationsverstärker 17 gebildeten Schmitt- Triggers auf einem hohen oder niedrigen Niveau liegt, ist der erste Schalter 24 oder der zweite Schalter 27 geschlossen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung gelangt über den ersten Schalter 24 und einen Koppel­ widerstand 28 ein Rückkopplungssignal zum Anschlußpunkt 8 der Brücke und zur Leitung 9. Der Kopplungswiderstand 28 ist beispielsweise ein hochtemperaturkonstanter Metallschicht-Widerstand mit einem Widerstandswert von etwa 100 Kiloohm.

Der Anschlußpunkt 7 der Brücke ist, wie man in Fig. 1 erkennt, über eine Leitung 29 mit dem nichtinvertieren­ den Eingang 30 des als Integrator geschalteten Opera­ tionsverstärkers 12 verbunden.

Der Anschlußpunkt 7 ist weiterhin mit dem invertieren­ den Eingang 31 des als Schmitt-Trigger geschalteten Operationsverstärkers 12 verbunden, wobei dies vorzugs­ weise über einen Entkopplungsverstärker 32 geschieht, der verhindert, daß das Ausgangssignal des Schmitt- Triggers auf den Ausgang der Brücke und den Integrator zurückwirken kann.

Wenn sich die aus den Dehnungsmeßstreifen 1, 2, 3, 4 gebildete Brücke im Gleichgewicht befindet, liefert die Brücke keinen Beitrag zu dem über die Leitung 9 zum Integrator gelangenden Signal. Der Integrator inte­ griert jedoch die aus der Referenzspannung zwischen den Polen 5 und 6 über den ersten Schalter 24 und den Widerstand 28 eingekoppelte Spannung. Nach einer von der Höhe dieser Spannung abhängigen Zeit hat sich die Spannung am Ausgang 13 des Operationsverstärkers 12 so weit verändert, daß der Operationsverstärker 17 um­ schaltet und über die Leitung 22 und die Steuerleitung 23 ein Öffnen des erstes Schalters 24 ausgelöst wird. Gleichzeitig gelangt über den Inverter 25 und die Steuerleitung 26 ein Steuersignal zum zweiten Schalter 27, das diesen schließt, so daß nunmehr über den Wider­ stand 28 und den Schalter 27 eine Verbindung zwischen dem Anschlußpunkt 8 und dem negativen Pol 6 der Re­ ferenzspannungsquelle zustande kommt.

Aufgrund der Umpolung der Eingangsspannung auf der Leitung 9 folgt nach einer vorherbestimmten Zeit wie­ derum ein Umschalten des als Schmitt-Trigger geschal­ teten Operationsverstärkers 17 und damit der Stellungen des ersten Schalters 24 und zweiten Schalters 27. Auf diese Weise wird erneut der in Fig. 1 dargestellte Schaltzustand der Schalter 24 und 27 erreicht. Solange keine Verstimmung der aus den Dehnungsmeßstreifen 1, 2, 3, 4 bestehenden Brücke vorhanden ist und zwischen den Anschlußpunkten 7, 8 keine Differenzspannung anliegt, sind die Zeiten, zu denen am Ausgang 18 des Operations­ verstärkers 17 eine hohe Spannung anliegt, gleich lang wie die Zeiten, zu denen am Ausgang 18 eine niedrige Spannung anliegt. Das Tastverhältnis beträgt somit 0,5, was von der Auswerteschaltung 21 ermittelt wird und über eine mit der Auswerteschaltung 21 verbundene Anzeigeeinheit als Meßwert einer elektromechanischen Waage angezeigt wird.

Wenn aufgrund einer Belastungsänderung eine Verstimmung der aus den Dehnungsmeßstreifen 1, 2, 3, 4 bestehenden Brücke erfolgt, tritt zwischen den Anschlußpunkten 7 und 8 eine Brückenspannung auf, die sich zu der in ihrer Polarität abwechselnd ändernden Rückkopplungs­ spannung addiert, die über den Kopplungswiderstand 28 zugeführt wird. Je nach der Polarität der Brücken­ spannung wird dann das Aufintegrieren oder Abintegrie­ ren in dem den Operationsverstärker 12 enthaltenden Integrator beschleunigt, so daß das Tastverhältnis oder das Puls-Pausenverhältnis am Ausgang 18 entsprechend verändert wird. Das neue Tastverhältnis wird mit Hilfe der Auswerteschaltung 21 berechnet und ein entsprechen­ des Ausgangssignal auf einer Anzeigeeinheit darge­ stellt.

Da die Zeiten, zu denen der erste Schalter 24 geschlos­ sen ist, nunmehr nicht mehr gleich lang sind wie die Zeiten, zu denen der zweite Schalter 27 geschlossen ist, erfolgt eine Kompensation der verstimmten Meß­ brücke in der Weise, daß die aus den Dehnungsmeßstrei­ fen 1, 2, 3, 4 bestehende Brücke durch einen Zusatz­ strom auf Null abgeglichen wird. Der Abgleich erfolgt in der oben beschriebenen Weise durch unterschiedlich langes Parallelschalten des Koppelwiderstandes 28 zu den Dehnungsmeßstreifen 2 oder 4. Das Tastverhältnis oder Puls-Pausenverhältnis der Schalter 24, 27 ist pro­ portional der Verstimmung, die durch den den Opera­ tionsverstärker 12 enthaltenden Integrator gemessen wird, der den den Operationsverstärker 17 enthaltenen Schmitt-Trigger ansteuert. Am Ausgang 18 steht die pulsmodulierte Rechteckspannung an, mit der die Schal­ ter 24, 27 angesteuert werden. Auf diese Weise entsteht ein selbst anschwingender Oszillator mit einem puls­ breitenmodulierten Ausgangssignal. Das oben beschrie­ bene Kompensationsverfahren wurde verwendet, um die Anforderungen an einen hohen Eingangswiderstand, der für die Linearität wichtig ist, zu umgehen. Der Ein­ gangswiderstand der oben beschriebenen Schaltung wird durch den dynamischen Abgleich mit den Schaltern 24, 27 virtuell unendlich hoch. Die Dehnungsmeßstreifen-Brücke wird auf Null abgeglichen und es kann somit kein Strom in den Eingang fließen und keine Unlinearität ent­ stehen.

Wie man aus der obigen Erörterung erkennt, erfolgt über die die Schalter 24, 27 eine Stromeinspeisung nach dem Zeitteilerverfahren, wobei am Anschlußpunkt 8 im Mittel über mehrere Perioden ein Abgleich auf Null erfolgt und die kurzzeitige Nullpunktsabweichung innerhalb einer Periode jeweils den den Operationsverstärker 12 ent­ haltenen Integrator ansteuert, so daß sich am Ausgang 13 eine rampenförmige Ausgangsspannung und am Ausgang 18 eine Rechteckspannung mit unterschiedlichem Tast­ verhältnis oder Puls-Pausenverhältnis einstellt.

Bezüglich der Auswerteschaltung 21 sei darauf hinge­ wiesen, daß durch sie ein Auszählen der Puls- und Pausenzeiten mit hoher Auflösung erfolgt. Außerdem erfolgt eine Addition der Pulszeiten und Pausenzeiten, um die Pulszeiten oder die Pausenzeiten durch diese Summe zu dividieren. Die Zählfunktion kann mit hohen Anforderungen an die Auflösung und Geschwindigkeit mittels diskreter Torzähler realisiert werden. Vor­ teilhafterweise wird für die Rechengänge ein Mikro­ prozessor verwendet, der auf Zusatzfunktionen wie Ska­ lierung, Tarierung und die Anzeigefunktion übernimmt.

Die Genauigkeit der Analog-Digital-Wandlung wird nur von der Genauigkeit des Koppelwiderstandes 28 und der Offsetdrift des Operationsverstärkers 12 bestimmt. An die Langzeitgenauigkeit des Operationsverstärkers 17 für den Schmitt-Trigger, den Integrationswiderstand 10 und den Integrationskondensator 14 des Integrators sowie die Brückenspeisespannung werden keine besonders hohen Anforderungen gestellt. Aus diesem Grunde läßt sich die beschriebene Schaltung besonders preiswert realisieren.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei der eine Eingangsspannung U _E über einen Widerstand 34 eingekoppelt wird, dem ein Glät­ tungskondensator 35 zugeordnet ist. Die mit den in Fig. 1 dargestellten übereinstimmenden Bauteile sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Während der Eingang der Schaltung gemäß Fig. 1 für symmetrische Eingangsspannungen vorgesehen ist, ist die Schaltung gemäß Fig. 2 für Eingangsspannungen vorgesehen, die mit einem Pol auf Massepotential liegen. In Fig. 2 ist der Masseanschluß mit dem Bezugszeichen 36 versehen. In­ folge des Masseanschlusses kann bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung auf den Entkopplungsverstärker 32 verzichtet werden.

Die Polarität und die Höhe der Eingangsspannung U _E bestimmt ähnlich wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel das Tastverhältnis oder Impuls-Pau­ senverhältnis am Ausgang 18.

Zwischen den Schaltern 24 und 27 ist abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Schaltung ein Potentiometer 37 vorgesehen, das einen Linearitätsabgleich ermöglicht.

Während die in Fig. 2 dargestellte Schaltung bipolare Eingangsspannungen U _E zuläßt, ist in Fig. 3 eine nur geringfügig von der Schaltung in Fig. 2 abweichende Schaltung dargestellt, bei der eine negative Eingangs­ spannung -U _E in ein digitales Signal umgesetzt wird. Die Eingangsspannung -U _E wird beispielsweise von einer Waage geliefert, die nach dem Prinzip der elektromagne­ tischen Kraftkompensation arbeitet. Bei einer solchen Waage wird das aufgelegte Gewicht mit Hilfe einer Magnetkraft, die durch eine Tauchspule erzeugt wird, kompensiert. Der zur Kompensation erforderliche Strom durchfließt einen Widerstand, an dem ein Spannungsab­ fall auftritt, der der Schaltung gemäß Fig. 3 zugeführt wird.

Wie man in Fig. 3 erkennt, liegt die Referenzspannung abweichend von den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungen nicht zwischen einem positiven Pol 5 und einem negativen Pol 6, sondern zwischen der Masse und einem positiven Pol 5. Wenn an den Pol 5 statt einer positiven Spannung eine negative Spannung angelegt wird, gestattet es die in Fig. 3 dargestellte Schaltung positive Eingangsspannungen umzusetzen.

Claims (10)

1. Analog-Digital-Wandler, insbesondere für elektro­ mechanische Waagen mit einer Umwandlung der Ge­ wichtskraft in ein elektrisches Signal durch Dehnungsmeßstreifen oder elektromagnetische Kraft­ kompensation, mit einem Integrator, dessen Ausgang mit einer Komparatorschaltung verbunden ist, deren Ausgangssignal eine Auswerteschaltung und eine zwei Schalter aufweisende Schalteranordnung speist, die es gestattet, eine erste oder eine zweite Referenzspannung als Rückkopplungssignal dem Eingangssignal zu überlagern, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschal­ tung ein Schmitt-Trigger (17) ist, dessen Aus­ gangssignal (18) beide Schalter (24, 27) der Schalteranordnung wechselweise steuert und daß durch die Auswerteschaltung (21) das Tastverhält­ nis des Ausgangssignals (18) des Schmitt-Triggers (17) auswertbar ist.

2. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Referenzspannung (5, 6) durch die Betriebs­ spannung einer Dehnungsmeßstreifenbrücke geliefert werden, deren den Integrator (12) beaufschlagende Ausgangsspannung (9) das in seiner Frequenz und seinem Tastverhältnis variierende Rückkopplungs­ signal über einen hochohmigen Widerstand (28) überlagert ist.

3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Inte­ grator (12) ohne Zwischenverstärker mit dem Aus­ gang (7, 8) der Brücke (1, 2, 3, 4) verbunden ist, während der nicht mit dem Ausgang (13) des Inte­ grators (12) verbundene Eingang (31) des Schmitt-Triggers (17) über einen Entkopplungsver­ stärker (32) mit der Brücke (1, 2, 3, 4; 7, 8) verbunden ist.

4. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden Schalter (24, 27) mit den beiden Enden eines Potentiometers (37) verbunden sind, dessen Abgriff die dem Integratoreingang (9, 10, 11) zugeführte Rückkopplungsspannung liefert.

5. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die nicht mit dem Potentiometer (37) verbundenen Schalteran­ schlüsse an Referenzspannungen (5, 6) entgegenge­ setzter Polarität liegen.

6. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß von den nicht mit dem Potentiometer (37) verbundenen Schalter­ anschlüssen der eine mit einer Referenzspannungs­ quelle (5) von der der Eingangsspannung U _E des Wandlers entgegengesetzten Polarität und der andere mit der Schaltungsmasse (36) verbunden ist.

7. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4 und 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Integrators (12) ein Glättungskonden­ sator (35) liegt, der über einen hochohmigen Eingangswiderstand (34) mit der Eingangsspannung und über einen Entkopplungswiderstand (28) mit dem Potentiometerabgriff verbunden ist.

8. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (21) das Tastverhältnis des sich in seiner Frequenz ändernden Ausgangs­ signals (18) des Schmitt-Triggers (17) ermittelt.

9. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator und der Schmitt-Trigger Opera­ tionsverstärker (12, 17) enthalten, deren Ein­ gangssignal bei dem einen, dem invertierenden und bei dem andern dem nichtinvertierenden Eingang (11, 16) zugeführt wird.

10. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle (5, 6) durch die Betriebsspannungsquelle gebildet ist.