DE3726582C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Wandlung von Eingangsgrößen, insbesondere zur simultanen Analog/Digitalumsetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen Umsetzung einer Anzahl n(n≧1) von analogen Spannungssignalen in Digitalsignale - bzw. allgemeiner ein Verfahren zur Wandlung von Eingangsgrößen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 - sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Steuer- und Regeleinrichtungen werden heute vielfach in Digitaltechnik ausgeführt. Dazu ist es notwendig, analoge Größen (meist analoge Spannungssignale) in digitale Größen umzuwandeln, die dann in einem Prozessorsystem weiterverarbeitet werden. Dabei wird eine hohe Auflösung bei kurzen Umsetzungszeiten gefordert, z. B. 12-Bit-Signale in weniger als 100 µs.

Insbesondere für die Verarbeitung mehrerer analoger Spannungssignale sind unterschiedliche Methoden und Vorrichtungen der Digital/Analog-Wandlung möglich, die anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert werden sollen.

Zunächst bietet sich an, an die Dateneingänge des die digitalen Größen verarbeitenden Prozessors handelsübliche Analog/Digital- Umsetzer vorzuschalten, die als eigene Bauteile (abgeschlossenes System) handelsüblich sind. Sollen mehrere analoge Größen Aa, Ba, Ca in entsprechende digitale Größen Ad, Bd, Cd umgewandelt werden, so zeigt Fig. 1 den Einsatz mehrerer Analog/Digital-Umsetzer, Fig. 2 den Einsatz als einzigen derartigen Analog/Digital-Umsetzer mit einem Analog-Multiplexer MUXa und Fig. 3 den Einsatz eines einzigen Analog/Digital-Umsetzers mit einem Analog-Multiplexer und sample and hold-Verstärkern für den Fall, daß verschiedene Größen zum gleichen Zeitpunkt ("simultan") gewandelt werden müssen.

Für die geforderte hohe Umsetzgeschwindigkeit bei hoher Auflösung sind diese Analog/Digital-Umsetzer sehr teuer. Der Nachteil von Multiplex-Schaltungen und sample and hold-Schaltungen ist die zusätzliche Verlängerung der Wandlungszeit. Außerdem muß vor dem Start des Umsetzers immer eine Einschwingzeit für den Multiplexer und sample and hold-Verstärker abgewartet werden.

Der Vorteil dieser Anordnungen ist, daß diese Bauteile keinen nennenswerten offset-Drift als Funktion der Umgebungstemperatur aufweisen.

In der DE 35 11 023 A1 ist eine Ausführungsform eines Analog/ Digital-Wandlers mit einem Multiplexer, einer A/D-Wandlerschaltung und eiem Doppelanschluß-Speicher angegeben. Der Multiplexer wählt einen von mehreren Eingangskanälen aus und überträgt ein Analogsignal auf den ausgewählten Kanal. Die A/D-Wandlerschaltung wandelt das vom Multiplexer abgegebene Analogsignal in digitale Daten um. Der Doppelanschluß-Speicher speichert mehrere von der A/D-Wandlerschaltung abgegebene digitale Daten in vorbestimmte Adressenstellen. Außerdem erhält dieser Analog/Digital-Wandler eine Steuerschaltung, die die Kanalauwahl des Multiplexers steuert und in Übereinstimmung mit der Kanalauswahl die Speicherstellen in dem Doppelanschluß- Speicher für die umgewandelten, digitalen Daten auf ein von außen abgegebenes Triggersignal adresiert. Dadurch wird sichergestellt, daß die Zeitverzögerung, die auf der sequentiellen Abgabe der von analogen in digitale Signale umgewandelten Mehrkanaleingangsdaten an eine Zentraleinheit einer Datenverarbeitungsanlage beruht, erheblich verringert wird.

Bei einer Analog/Digital-Wandlung über Pulsbreitenmodulation gemäß den Fig. 4 und 5 wird das Analogsignal Aa mittels eines Referenzsignals Ref, das von einem Referenzsignal- Generator GENref gebildet wird, und eines Komparators KOMP abgetastet. Dadurch entsteht das pulsbreitenmodulierte Signal co, das in einer Logikschaltung LOGIC weiterverarbeitet wird.

Dabei erzeugt ein Taktimpulsgeber CL während einer vorgegebenen Umsetzungszeit T1 eine Impulsfolge cl mit vorgegebener Frequenz. Während des Signalzustandes co = H ist das analoge Spannungssignal größer als die Referenzspannung und die Impulsfolge cl wird auf einen Zähler CT1 gegeben, der die Impulse z1 zählt. Beim Zustand co = L wird die Taktfrequenz cl auf einen Zähler CT2 gegeben, der die Impulse z2 zählt. Die Zähler werden durch ein entsprechendes Ansteuersignal t1, das die Umsetzungszeit T1 angibt, zu Beginn jeder Umsetzungszeit rückgesetzt, während am Ende dieser Umsetzungszeit die Zählerstände Z1 und Z2 ausgelesen werden, um dann in einer anschließenden Rechenstufe, die im Prozessor programmiert sein kann, in den digitalen Wert Ad umgesetzt zu werden. Die Pulsfrequenz cl beträgt z. B. 4 MHz.

Der Vorteil dieser Einrichtung ist der relativ kleine und driftfreie offset bei Änderung der Umgebungstemperatur. Außerdem entstehen nur geringe Bauteilkosten, verglichen mit dem Einsatz eines vollständigen Analog/Digital-Umsetzers.

Die Auflösung dieser Anordnung ist eine Funktion der Taktfrequenz cl und der Schaltzeit des Komparators. Für eine 12-Bit- Auflösung müßte die Taktfrequenz cl etwa 40 MHz und die Schaltzeit des Komparators weniger als 1 ns/V betragen. Geeignete Bauteile für diese Frequenzen sind sehr kostenintensiv und bisher am Markt praktisch nicht erhältlich.

In der DE 28 10 519 C2 ist ein Analog/Digital-Umsetzer angegeben, der einen Eingangsverstärker mit nachgeschaltetem Spannungs-/Frequenz-Wandler aufweist, dessen Ausgangsklemme mit einer Eingangsklemme eines UND-Gliedes verbunden ist. Die Ausgangsklemme des UND-Gliedes ist wiederum mit einem Zähler verbunden, dessen Ausgangsklemmen mit einem Folgeregler (sequence controller) verbunden sind. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers ist einerseits über einen Schalter mit einer Spannungsquelle mit hohem Pegel und andererseits über einen Schalter mit einer Spannungsquelle mit mittlerem Pegel verbunden. Der invertierende Eingang des Verstärkers ist an eine Bezugsspannungsquelle mit niedrigem Pegel angeschlossen. Die beiden Schalter werden mittels vom Folgeregler erzeugten Steuer- und Regelsignalen abwechselnd durchgeschaltet und gesperrt. Mit Hilfe des Folgeeglers vermag der A/D- Wandler fehlerfrei umgesetzte Daten zu liefern, auch wenn die V/F-Kennlinie in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Stromquellenspannung variieren, sofern es sich bei diesen Kurven um gerade, durch den Null- bzw. Bezugspunkt verlaufende Linien handelt.

In Fig. 6 und 7 ist ein weiterer Analog/Digital-Umsetzer über eine Spannungs/Frequenz-Umsetzung dargestellt. Dabei wird das analoge Spannungssignal Aa durch einen Spannungs/ Frequenz-Umsetzer U/f in eine Ausgangsfrequenz fa umgesetzt, z. B. 90 kHz bei Aa = 5 V, 60 kHz bei Aa = 0 V und 30 kHz bei Aa = -5 V. Ein Taktimpulsgeber CL erzeugt Taktimpulse z2 mit einer gegenüber der Frequenz fa erhöhten Taktfrequenz. Dem Umsetzer U/f ist über die Logikschaltung LOGIC eine Zähleinrichtung aus den Zählern CT1 und CT2 zugeordnet, um die Impulse und damit die in einer Umsetzungsdauer anfallenden Perioden der Ausgangsfrequenz fa und der Taktfrequenz z2 zu zählen.

Der Aufbau der Logikschaltung LOGIC ist in Fig. 6 nur schematisch dargestellt. Vorteilhaft ist ein digitales Filter vorgesehen, das aus den Impulsen der Ausgangsfrequenz fa Störimpulse ausfiltert und die Impulse z1 des Zählers CT1 liefert. Ferner ist ein Synchronisierteil Synch vorgesehen, das ein Freigabe- und Rücksetzsignal t1 für die Zähler CT1 und CT2 bildet und die Umsetzungsdauer T1 festlegt. Dabei ist T1 wesentlich länger als die Taktperiode Tc des Taktimpulsgebers CL. Dieser Synchronisierteil kann z. B. so aufgebaut sein, wie es in der deutschen Offenlegungsschrift 32 16 036 (= VPA 82 P 3130) für den Fall angegeben ist, daß die Ausgangsfrequenz fa von dem Achsimpulsgeber einer rotierenden Maschine geliefert wird.

Ein Synchronisierteil ist vor allem vorteilhaft, um Schwebungen zwischen der Taktfrequenz des Taktimpulsgebers CL und der Ausgangsfrequenz fa des U/f-Umsetzers zu vermeiden. Der Synchronisierteil erzeugt hierbei jeweils definierte Ausgangszustände zu Beginn der Umsetzungszeit, er synchronisiert die hohe Taktfrequenz auf die niedrigere Ausgangsfrequenz fa. Der aus z1 abgeleitete, mit einer Impulsflanke synchrone Freigabeimpuls t1 ist jedenfalls so weit auf die Impulse z2 synchronisiert, daß der Zähler CT2 zuverlässig arbeitet.

Die am Ende der Umsetzungszeit vorliegenden Zählerstände Z1 und Z2, also die während der Umsetzungsdauer aufgelaufenen Perioden der Ausgangsfrequenz und der Taktfrequenz werden in einem anschließenden Rechenteil, der z. B. durch die Software eines angeschlossenen Prozessors realisiert sein kann, in das entsprechende Digitalsignal Ad umgesetzt. Fig. 7 zeigt die Impulse während der Umsetzungszeit T1, wobei vorgesehen sein kann, zwischen zwei Umsetzungszeiten eine Totzeit T0 einzuhalten, die dann benötigt wird, wenn in einem der Fig. 2 entsprechenden Zeitmultiplex-Verfahren nacheinander verschiedene digitale Spannungssignale umgesetzt werden sollen und der Umsetzer U/f jeweils die Zeit benötigt, um auf den neuen Spannungspegel einzuschwingen.

Ist der Meßbereich des analogen Spannungssignals Aa durch einen Maximalwert und einen Minimalwert gegeben, bei der der U/f-Umsetzer die Frequenzen fmax und fmin erzeugt, so wird der zum Mittenwert Aa(0) = (Aamax-Aamin)/2 gehörende Frequenzwert f0 = (fmax-fmin)/2 als Mittenfrequenz bezeichnet. Bezeichnet man ferner die zu den Werten Aa(0) und Aamax gehörenden digitalen Größen mit Ad(0) und Admax, so können die Zählerstände Z1 und Z2 z. B. nach der folgenden Formel ausgewertet werden:

Im vorgegebenen Beispiel gilt:

fmax - f 0 = f 0/2.

Soll der Mittelpunkt des digitalen Meßbereiches beim Wert Ad(0) = 0 und der Extremwert bei einem vorgegebenen Wert Admax liegen, so gilt also unter Berücksichtigung einer Eichkonstanten K:

Die Genauigkeit der digitalen Größe Ad hängt also davon ab, wie konstant die Zeitkonstante Tc1 des Taktimpulsgebers sowie der Frequenzbereich am Ausgang des U/f-Umsetzers gehalten werden kann. Daher stehen den geringen Bauteilkosten und dem hohen Auflösungsvermögen dieser Vorrichtung die Einflüsse der Umgebungstemperatur gegenüber, die vor allem im U/f-Umsetzer eine hohe Drift des Frequenzspektrums bewirken. Während des Betriebes ist daher eine on-line-Korrektur der Drift erforderlich, um die Eichkonstante K = 1/[Tc1 · (fmax-f0)] von Zeit zu Zeit neu zu bestimmen. Hierzu müssen also Eichmessungen vorgenommen werden, die den normalen Umsetzungszyklus unterbrechen. Dabei geht wertvolle Zeit bzw. Information verloren. Deshalb kann diese Anordnung in vielen Fällen nicht eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen von analogen Spannungssignalen in digitale Größen anzugeben, das bei hohem Auflösungsvermögen und möglichst geringem Aufwand an Bauteilen Analogsignale praktisch unterbrechungsfrei in Digitalsignale umzusetzen gestattet. Dieses Verfahren kann prinzipiell bereits für die Umsetzung eines einzigen analogen Spannungssignals verwendet werden, es kann aber insbesondere jederzeit so erweitert werden, daß die simultane Umsetzung von mehreren Analogsignalen möglich wird, wobei für jedes zusätzliche Analogsignal im wesentlichen nur ein zusätzlicher Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einer nachgeschalteten Logik und einer Zähleinrichtung erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. Anspruch 4 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist im folgenden für den bevorzugten Anwendungsfall beschrieben, daß drei oder mehr Eingangssignale bereits als Spannungssignale in analoger Form vorliegen und in Digitalsignale gewandelt werden sollen. Prinzipiell kann es sich aber auch darum handeln, daß irgendeine Meßgröße durch einen Meßwandler praktisch unterbrechungsfrei erfaßt werden muß, so daß zunächst nur ein Meßwandler erforderlich erscheint, der jedoch im one-line-Betrieb nachgeeicht werden muß.

Anhand von 15 Figuren und 6 Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen die

Fig. 1 bis 5 bereits besprochene Möglichkeiten der Analog/ Digital-Wandlung,

Fig. 6 und 7 die bereits besprochene Möglichkeit, durch eine Spannungs/Frequenz-Wandlung und eine anschließende Zähleinrichtung für die Wandlerfrequenz und eine Taktfrequenz eine (drift- behaftete) Digitalgröße zu ermitteln, wobei diese Möglichkeit für die Erfindung ausgewählt und weiterentwickelt wird,

Fig. 8 und 9 eine zusätzliche Baueinheit, die gemäß der Erfindung für eine Eichmessung und anschließende geeichte Umwandlung der Analoggröße Aa verwendet wird, und deren Taktfolge,

Fig. 10 und 11 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Umwandlung eines einzelnen Signals und die dabei auftretende Taktfolge,

Fig. 12 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer zyklischen Eichmessung für alle verwendeten U/f-Wandler,

Fig. 13 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein geeichtes Referenzsystem eine geeichte Umwandlung simultan mit einer ungeeichten Umwandlung durch die anderen U/f-Wandler vornimmt und die ungeeichten Meßwerte durch Nachregeln ihrer Eichkonstanten korrigiert werden,

Fig. 14 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Potentialtrennung zwischen dem Analogsignal und der Digitalgröße vorgenommen wird, und

Fig. 15 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem jeweils Gruppen von Signalgebern Analogsignale auf unterschiedlichem Spannungsniveau liefern und eine oder mehrere Gruppen von Analogsignalen in galvanisch getrennte Digitalgrößen überführt werden.

Die simultane Wandlung mehrerer analoger Spannungssignale erfordert für jedes Spannungssignal einen eigenen Spannungs/ Frequenz-Umwandler. Grundgedanke der Erfindung ist es, für den Driftabgleich dieser n regulären Wandler einen einzigen zusätzlichen Wandler zu benutzen, dessen Eichkonstante in einer Eichmessung bestimmt werden kann, ohne daß die Wandlung in den n anderen Umwandlern unterbrochen wird. Nach der Eichmessung übernimmt der zusätzliche Umwandler nacheinander die Umwandlung der n analogen Spannungssignale und erzeugt somit geeichte Digitalsignale. Gleichzeitig ermöglicht diese Eichung auch die Eichkonstanten der n anderen Wandler nachzujustieren.

Dieses Nachjustieren kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Insbesondere kann die Umwandlung eines der n analogen Signale in dem zugeordneten Wandler für die Dauer unterbrochen werden, in der der geeichte zusätzliche Wandler bereits das entprechende geeichte Digitalsignal ermittelt. Während dieser Unterbrechung kann dann der reguläre Wandler ebenfalls durch eine Eichmessung nachjustiert werden. Die normale Wandlung kann jedoch auch weiter beibehalten werden, so daß vorübergehend neben dem geeichten Digitalsignal des zusätzlichen Wandlers auch das ungeeichte Digitalsignal des regulären Wandlers ermittelt wird. Durch Vergleich der beiden Digitalsignale kann dann die Eichkonstante des regulären Wandlers nachjustiert werden.

Fig. 8 zeigt die für die Eichmessung erforderlichen zusätzlichen Bauteile. Diese Baugruppe besitzt bis auf den Umschalter SWr ebenfalls die bereits in Fig. 6 gezeigte Konfiguration aus einem Spannungs/Frequenz-Wandler U/fref, eine Logikschaltung LOGICref und eine Zähleinrichtung CTr, die aus einem ersten Zähler CTr1 für die Perioden der Ausgangsfrequenz des Wandlers U/fref sowie einem zweiten Zähler CTr2 für die Taktperioden des in der Logikschaltung enthaltenen Taktimpulsgebers besteht. Je nach Stellung des Umschalters SWr ermittelt dann die nachgeschaltete Rechenstufe CAL entweder aus einer vorgegebenen Referenzspannung As(ref) die Eichkonstante oder aus dem analogen Spannungssignal Aa das geeichte Digitalsignal Ad.

Werden die beiden Zählerstände z. B. nach der obengenannten Formel ausgewertet, so muß sich bei richtig eingestellter Eichkonstanten K beim Analogsignal Aa(0) der Wert Ad(0) = 0 ergeben, für die Eichkonstante K gilt also

K = 2 · Z2/Z1 .

In diesem Fall genügt zur Bestimmung der Eichkonstanten, nur während einer Umsetzungsdauer das Eingangssingal A des Umsetzers U/fref auf den zum digitalen Wert Ad (0) gehörenden analogen Wert Aa(ref) = Aa(0) umzuschalten.

Damit ergibt sich für die Eingangs-Steuerspannung A des zusätzlichen Umsetzers, für die Ausgangsfrequenz f des Umsetzers sowie die von den Zählern CTr1 und CTr2 der Zähleinrichtung CTr gezählten Impulse z1 und z2 der in Fig. 9 dargestellte Verlauf. Während der Eichzeit Tr liefert der Spannungs/Frequenz- Umsetzer die zu Aa(ref) = Aa(0) gehörende Impulsfolge z1 mit der Frequenz fref, und nach Ablauf der Eichzeit wird die Eichkonstante K bestimmt. Zu Zeitpunkten ts, die z. B. von dem Takt bestimmt werden, in dem die Digitalgrößen aus der Rechenstufe CAL ausgelesen werden sollen, wird der Umschalter SWr betätigt. Bevor anschließend das Analogsignal Aa während der Umsetzungszeit T1 durch Zählen und Auswerten der Impulse z1 und z2 in das geeichte Signal Ad umgesetzt werden kann, muß allerdings die Einschwingzeit T0 abgewartet werden, damit die Ausgangsfrequenz f des zusätzlichen Umsetzers auf den zu Aa gehörenden Wert fa eingeschwungen ist.

Fig. 10 zeigt nun am Beispiel der Umsetzung eines einzigen analogen Spannungssignals Aa, wie durch Kombination einer für die reguläre Umsetzung nach Fig. 6 und 7 benötigten Baugruppe mit der für die Eichung gemäß den Fig. 8 und 9 benötigten Baugruppe eine in ihrer Nullpunktdrift korrigierte Vorrichtung zur Analog/Digital-Umsetzung entsteht. Das Analogsignal Aa ist dabei jeweils einem Eingang der Umschalter SW1, SW2 aufgeschaltet, deren andere Eingänge mit der analogen Referenzspannung Aa(ref) beaufschlagt sind.

Als eine mögliche Betriebsweise ist in Fig. 11 dargestellt, daß aus dem der Rechenstufe CAL vorgegebenen Auslesetakt für die digitalen Größen z. B. mittels eines Ringzählers zyklische Ansteuersignale ts für die Logik und die Umschalter SW1 abgeleitet werden. In der ersten Hälfte eines derartigen Zyklus wird über den Schalter SW1 das Analogsignal Aa für die normale ("reguläre") Umsetzung nach den Fig. 6 und 7 dem Umsetzer U/f1 zugeführt, dessen Ausgangssignal f1 die zu Aa gehörende Frequenz f1(Aa) besitzt und in den nachfolgenden Bauteilen zum Digitalsignal Ad umgesetzt wird. Die gemäß den Fig. 8 und 9 vorgesehenen Bauteile dienen während dieser Zyklushälfte zur Eichung des Umsetzers U/f2, dem mittels des Schalters SW2 zunächst die Referenzspannung Aa(ref) aufgeschaltet wird. In einer (oder ggf. mehreren) Umsetzungsdauer Tµ ist die Auswertung des Signals f2 jedoch noch gesperrt, da die Frequenz f2 erst auf den neuen, zu Aa(ref) gehörenden Wert f2(Aref) einschwingen muß.

Während der Zeitdauer Tµ+1 findet nun die Eichmessung und die Bestimmung der Eichkonstante für U/f2 statt. Anschließend (Umschaltimpuls tµ+2) wird der Umschalter SW2 betätigt und der Umsetzer U/f2 mit dem Analogsignal Aa angesteuert. Er kann dann während des Intervalls Tµ+2 auf den neuen Wert F2(Aa) einschwingen. Da das Analogsignal Aa selbst sich in der Regel nur wenig ändert, sind für die reguläre Umsetzung, die während dieser Zyklushälfte vom Umsetzer U/f1 vorgenommen wird, keine längeren Einschwingzeiten vorzusehen; die in Fig. 11 erkennbaren Pausen zwischen den Umsetzungsdauern Tµ, Tµ+1 . . . ergeben sich vielmehr nur aus dem Betrieb der Synchronisiereinrichtung Synch (Fig. 6) und dem Takt, in dem die Rechenstufe CAL das Digitalsignal zur Verfügung stellen soll. Sie sind vernachlässigbar klein.

In der zweiten Zyklushälfte (Zeitintervalle Tµ+3, Tµ+4, Tµ+5) sind die Rollen zwischen den beiden Umsetzern vertauscht: Der Umsetzer U/f2 ist bereits auf die zu Aa gehörige Frequenz eingeschwungen, während der Umsetzer U/f1 von Aa(ref) angesteuert wird, einschwingt und geeicht wird.

Die Verwendung des zusätzlichen Umsetzers und der ihm zugeordneten Bauteile stellt für ein einzelnes Signal praktisch eine Verdoppelung des Bauteileaufwandes dar. Zwar sind gewisse Bauteile redundant vorhanden. Zum Beispiel könnte der Taktimpulsgeber und der Zähler für dessen Impulse, der prinzipiell als "Zeitnormal" zur Frequenzbestimmung aller Umsetzer-Ausgangsfrequenzen verwendet werden. Andererseits aber ist es zur Vermeidung von Schwebungen vorteilhaft, den jeweiligen Taktimpulsgeber auf die Impulse des zugehörigen Umsetzers zu synchronisieren, weshalb in allen Ausführungsbeispielen dem Spannungsfrequenzumsetzer ein eigener Taktimpulsgeber zugeordnet ist. Dadurch werden die für die Auswertung eines Analogsignals erforderlichen Bauteile jeweils zu autarken Einheiten, und die Anlage kann durch Hinzufügen weiterer derartiger Einheiten auf beliebig viele, simultan umzusetzende Signale erweitert werden.

Dies ist in Fig. 12 dargestellt, wo jedem der analogen Spannungssignale Aa, Ba, Ca . . . die nach Fig. 8 aufgebaute reguläre Baugruppe UFA, UFB, UFC . . . zugeordnet ist. Für die Eichzwecke ist die zusätzliche Baugruppe UFn+1 vorgesehen. Über eine zyklisch angesteuerte Umschalteinrichtung für die Analogsignale, die als Multiplexer symbolisiert ist, werden diese analogen Spannungssignale nacheinander auf den Eingang der Baugruppe UFn+1 geschaltet, um dort jeweils nach Einschwingen des Umsetzers die Bestimmung der entsprechenden Digitalgröße zu ermöglichen. Für die Zeit, in der die Baugruppe UFn+1 die Umsetzung des jeweiligen Signals vornimmt und die zugehörige reguläre Baugruppe daher nicht benötigt wird, wird die Eichspannung Aa(ref) der regulären Baugruppe aufgeschaltet, um nach Einschwingen des zugehörigen Umsetzers die Eichkonstante dieses Umsetzers zu bestimmen. Anschließend wird wieder von Aa(ref) auf das entsprechende reguläre Analogsignal rückgeschaltet, und der Umsetzer schwingt ein. Über den Multiplexer MUX wird sodann der gleiche Vorgang für das nächste analoge Spannungssignal wiederholt. Sind nach einem Zyklus alle regulären Baugruppen nachgeeicht, so kann der Eichvorgang auch für die Baugruppe UFn+1 wiederholt werden.

Fig. 13 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Zahl der Schalter und der damit verbundenen Einschwingvorgänge verringert ist. Der einzige noch gezeichnete Umschalter kann dabei ebenfalls in den Multiplexer MUX integriert werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die zusätzliche Baugruppe UFn+1 ebenfalls in gewissen Abständen durch eine Eichmessung geeicht, um anschließend nacheinander über den Multiplexer die Analogsignale Aa, Ba, Ca . . . aufgeschaltet zu bekommen und geeichte Digitalgrößen Ad, Bd, Cd zu ermitteln. Die den Analogsignalen zugeordneten regulären Baugruppen UFA, UFB, UFC . . . jedoch werden während der Zeiten, in denen die zusätzliche Baugruppe UFn+1 jeweils bereits entsprechendes geeichtes Digitalsignal liefert, nicht nacheinander auf die analoge Referenzspannung Aa(ref) umgeschaltet, sondern nach wie vor mit dem zugehörigen Analogsignal angesteuert. Sie liefern daher noch ungeeiche Analogsignale, wobei aber jetzt von der Rechenstufe CAL durch Vergleich des geeichten mit dem ungeeichten Digitalsignal die richtige Eichkonstante für die reguläre Baugruppe ermittelt werden kann.

Ist z. B. die zusätzliche Baugruppe auf die Eichkonstante K′ geeicht und liefert bei Ansteuerung mit dem Analogsignal Aa und den zugeordneten Zählerständen Z1′, Z2′ das geeichte Digitalsignal

Ad′ - Ad (0)′ = Admax (K′Z2′/Z1′-2),

während die mit Aa angesteuerte reguläre Baugruppe UFA mit den Zählerständen Z1 und Z2 das ungeeichte Signal

Aa - Aa (0) = Amax (K · Z2/Z1 - 2)

liefert, so ergibt sich für die reguläre Baugruppe die neue Eichkonstante gemäß

K′ (Z1/Z2) ( Z2′/Z1′).

Jedes der geschilderten Wandlungsverfahren mittels Spannungs/ Frequenz-Umsetzung ist insbesondere gut für eine potentialtrennende Messung geeignet. Dazu sind die regulären Umsetzer und der zusätzliche Umsetzer mit der Einstellungseinrichtung für die Refernzspannung Aa(ref) auf der einen Seite einer nichtgalvanischen Übertragungsstrecke angeordnet, die die Ausgangsimpule der Umsetzer den auf ihrer anderen Seite angeordneten, die Logik, die Zähleinrichtungen und die Rechenstufe umfassenden Anlagenteile überträgt. Eine derartige Ausgestaltung der Anordnung nach Fig. 10 ist in Fig. 14 bei einem Beispiel dargestellt, bei dem eine an einem Shunt gemessene Spannung U gewandelt und einem Rechner potentialfrei zugeführt werden soll. Hierzu dienen Optokoppler OPT, die einerseits die Ausgangsimpulse mit den Frequenzen f1 und f2 der Umsetzer U/f1 und U/f2 von der links gezeigten Meßstation in die rechts gezeigte Rechnerstation mit der Rechenstufe CAL, der Logik LOGIC1 und LOGIC2 sowie den dazwischengeschalteten Zähleinrichtungen übertragen, andererseits auch den Ansteuerimpuls ts von der Rechnerseite einem optisch gesteuerten Verstärker Vr zuführen, der die Schalter SW1 und SW2 ansteuert.

Selbstverständlich ist diese Potentialtrennung auch auf die Schaltungen nach den Fig. 12 und 13 anwendbar. Dies ist in Fig. 15f für den Fall gezeigt, daß zwischen mehreren Gruppen von Eingangsgrößen jeweils eine Potentialtrennung erforderlich ist.

Im Beispiel der Fig. 15 bilden die Eingangsgrößen Aa und Ba, für die jeweils eine eigene Baugruppe mit einem zugeordneten Umsetzer U/fA bzw. U/fB vorgesehen ist, eine erste Gruppe, der auch ein erster zusätzlicher Umformer U/fref1 mit einer entsprechenden Umschalteinrichtung (MUX1) zugeordnet ist. Über einen Multiplexer MUX2 ist das Ausgangssignal des zusätzlichen Wandlers einer zusätzlichen Logik und einer zusätzlichen Zähleinrichtung aufgeschaltet, so daß bei entsprechender Ansteuerung der Multiplexer MUX1, MUX2 mittels des (z. B. von einem Ringzähler oder einer anderen Ablaufsteuerung bereitgestellten Ansteuersignal ts) diese Bauteile die in Fig. 13 dargestellte Vorrichtung ergeben. Dadurch ist es möglich, nacheinander den ersten zusätzlichen Umsetzer U/fref1 und die beiden Umsetzer U/fA und U/fB zu eichen. Anschließend wird der Multiplexer MUX2 umgeschaltet und ermöglicht nunmehr, die Eingangssignale Ca und Da mittels einer zweiten Gruppe von Umsetzern U/fC, U/fD und eines weiteren zusätzlichen Umsetzers U/fref2 zu wandeln. Die zusätzliche Zähleinrichtung CTn+1 und ihre vorgeschaltete Logik können dabei nacheinander für beide Gruppen verwendet werden und sind zusammen mit der Rechenstufe CAL galvanisch von den Eingängen Ca, Da getrennt. Der Betrieb jeder Gruppe ergibt sich dabei aus Fig. 13.

Hierzu wird nach Auswertung von Aa und Ba das von der Ablaufsteuerung gebildete Ansteuersignal ts2 über Optokoppler auf den Multiplexer MUX3 gegeben, um nacheinander den zweiten zusätzlichen Umsetzer U/fref2 und die den Eingangsgrößen Ca und Da zugeordneten regulären Umsetzer U/fC, U/fD zu eichen. Die Ausgangsimpulse dieser Umsetzer werden über die Optokoppler OPT auf die Rechnerseite übertragen und dort durch die zugeordneten Logik- und Zähleinrichtungen ausgewertet.

Die Erfindung ist vor allem vorteilhaft, wenn analoge Spannungssignale als Eingangsgrößen verwendet und in Digitalgrößen als Ausgangsgrößen umgesetzt werden sollen. Für diese Analog/Digital-Wandlung ist dann die Umsetzung der analogen Spannungssignale in die Ausgangsfrequenz eines U/f-Umsetzers besonders vorteilhaft. Die Erfindung läßt sich aber allgemein für jede Wandlung anwenden, bei der die jeweils für die Wandlung eines Signals erforderlichen Umsetzer eine Nullpunktdrift haben oder allgemein betriebsbedingten Einflüssen in einer Weise unterliegen, daß die gewandelte Größe von einer betriebsabhängig veränderlichen Eichkonstanten abhängen.

Claims (17)

1. Verfahren zur simultanen Wandlung von n(n≧1) Eingangsgrößen (Aa, Ba, Ca) in korrespondierende Ausgangsgrößen (Ad, Bd, Cd), wobei jede Eingangsgröße von einem regulär zugeordneten Wandler (UFA, UFB, UFC) mit einer dem Wandler eigenen Eichgröße gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zusätzlicher Wandler (UFn+1) periodisch geeicht wird, indem ihm eine einer vorgegebenen Ausgangsgröße entsprechende Referenzgröße [Aa(ref)] eingegeben wird und seine Eichgröße bestimmt wird,
daß anschließend an diese Eichtung des zusätzlichen Wandlers nacheinander die Eingangsgrößen (Aa, Ba, Ca) dem zusätzlichen Wandler (UFn+1) aufgeschaltet und in geeichte Ausgangsgrößen gewandelt werden und
daß jeder einer Eingangsgröße regulär zugeordnete Wandler (UFA, UFB, UFC) zwischen dem Zeitpunkt, an dem diese Eingangsgröße dem zusätzlichen Wandler aufgeschaltet wird und dem Zeitpunkt, an dem dem zusätzlichen Wandler die nächste Eingangsgröße aufgeschaltet wird, nachgeeicht wird (Fig. 12).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nacheichen des einer Eingangsgröße (Aa, . . .) regulär zugeordneten Wandlers (UFA, . . .) dieser Wandler durch Aufschalten einer vorgegebenen Referenzgröße [Aa(Ref)] geeicht wird (Fig. 12).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nacheichen des einer Eingangsgröße (Aa, . . .) regulär zugeordneten Wandlers (UFA, . . .) die Eingangsgröße (Aa) auch dem regulär zugeordneten Wandler (UFA) zugeführt ist und daß aus den Ausgangsgrößen des regulär zugeordneten Wandlers (UFA) und des zusätzlichen Wandlers (UFn+1) die Eichgröße des regulär zugeordneten Wandlers bestimmt wird.

4. Verfahren zur simultanen Umsetzung einer Anzahl n (n≧1) von analogen Spannungssignalen in korrespondierende Digitalsignale mit folgenden Merkmalen:

• a) jedem der analogen Spannungssignale (Aa, Ba, Ca) wird ein Spannungs/Frequenz-Umsetzer (U/f) regulär zugeordnet, der mit dem Spannungssignal als Steuersignal angesteuert wird und eine seinem Steuersignal entsprechende Frequenz erzeugt,
• b) zu jedem analogen Spannungssignal wird durch Zählen der Taktimpulse eines Taktimpuls-Gebers eine zugeordnete Umsetzungszeit und durch Zählen der während der Umsetzungszeit abgegebenen Impulse des regulären zugeordneten Umsetzers eine zugeordnete Periodenzahl bestimmt,
• c) zu jedem analogen Spannungssignal wird aus der zugeordneten Periodenzahl, der zugeordneten Umsetzungszeit und einer Eichkonstante des zugeordneten Wandlers das korrespondierende Digitalsignal gebildet,
• d) in regelmäßigen Abständen wird ein zusätzlicher Spannungs/ Frequenz-Umsetzer geeicht, indem er mit einer vorgegebenen Referenzspannung als Steuerspannung angesteuert wird zur Erzeugung einer seinem Steuersignal entsprechenden Frequenz, durch Zählen der Taktimpulse eines Taktimpulsgebers eine zugeordnete Umsetzungszeit und durch Zählen der während der Umsetzungszeit abgegebenen Impulse des zusätzlichen Umsetzers eine der Steuerspannung des zusätzlichen Umsetzers zugeordnete Periodenzahl bestimmt wird und aus der zugeordneten Umsetzungszeit und der zugeordneten Periodenzahl eine Eichkonstante des zusätzlichen Umsetzers gebildet wird,
• e) anschließend an die Eichung des zusätzlichen Umsetzers wird der zusätzliche Umsetzer mit einem der analogen Spannungssignale als Steuersignal angesteuert, mittels des zusätzlichen Umsetzers und seiner Eichkonstante die dem analogen Spannungssignal zugeordnete Digitalgröße bestimmt und der diesem analogen Spannungssignal zugeordnete Umsetzer geeicht,
• f) anschließend werden nacheinander die anderen analogen Spannungssignale dem zusätzlichen Umsetzer aufgeschaltet und die zugeordneten Umsetzer geeicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung der zugeordneten Umsetzer die vorgegebene Referenzspannung nacheinander den zugeordneten Umsetzern aufgeschaltet und die Eichkonstante des jeweils zugeordneten Umsetzers bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung der zugeordneten Umsetzer jeweils gleichzeitig ein zugeordneter Umsetzer und der zusätzliche Umsetzer mit einem der analogen Spannungssignale angesteuert wird und aus den Ausgangssignalen der beiden mit diesem analogen Spannungssignal angesteuerten Umsetzer die Eichkonstante des zugeordneten Umsetzers bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Potentialtrennung zwischen Eingangskanälen für analoge Spannungssignale und den Ausgangskanälen der korrespondierenden Digitalsignale die Ausgangsimpulse der zugeordneten Umsetzer und des zusätzlichen Umsetzers in potentialfreie Übertragungsstrecken, insbesondere optische Übertragungseinrichtungen, eingekoppelt und die eingekoppelten Ausgangsimpulse empfangen und gezählt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für analoge Spannungssignale, deren Eingangskanäle gruppenweise voneinander galvanisch getrennt sind, jeder Gruppe ein eigener zusätzlicher Umsetzer zugeordnet wird, wobei alle Ausgangsimpulse der Umsetzer einer Gruppe in potentialfreie Übertragungsstrecken eingekoppelt werden und die zusätzlichen Umsetzer geeicht werden, in dem ihre eingekoppelten Ausgangsimpulse nacheinander ausgekoppelt und gezählt werden.

9. Vorrichtung zur simultanen Wandlung von n(n≧1) Eingangsgrößen in korrespondierende Ausgangsgrößen, mit

• a) je einem einer Eingangsgröße regulär zugeordneten Wandler,
• b) einem zusätzlichen Wandler,
• c) einer Einstelleinrichtung zur Vorgabe einer Referenzgröße,
• d) einer Umschaltvorrichtung, der die Eingangsgröße und die Referenzgröße zugeführt sind und die den zusätzlichen Wandler nacheinander mit der Referenzgröße und den Eingangsgrößen ansteuert, und
• e) einer Rechenstufe, die nacheinander
  • - aus dem Ausgangssignal des zusätzlichen Wandlers eine Eichgröße für den zusätzlichen Wandler bestimmt, nachdem der zusätzliche Wandler mit der Referenzgröße angesteuert ist,
  • - aus der Eichgröße und dem Ausgangssignal des zusätzlichen Wandlers jeweils die zu einer Eingangsgröße korrespondierende Ausgangsgröße bestimmt, nachdem der zusätzliche Wandler mit dieser Eingangsgröße angesteuert ist, und
  • - aus den Ausgangssignalen des zusätzlichen Wandlers und des einer Eingangsgröße zugeordneten Wandlers eine Eichgröße für diesen zugeordneten Wandler bestimmt, bevor der zusätzliche Wandler von der nächsten Eingangsgröße angesteuert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Taktgeber eine vorgegebene Taktfrequenz erzeugt und daß jeder Wandler einen von einem analogen Spannungssignal als Eingangsgröße ansteuerbaren Spannungs/Frequenz-Umsetzer enthält, die an eine Zähleinrichtung für die Perioden der Taktfrequenz und der Ausgangsfrequenzen der Wandler angeschlossen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Wandler ein eigener Taktgeber zur Erzeugung einer vorgegebenen Taktfrequenz und ein digitales Filter zwischen dem Wandler und der Zähleinrichtung vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Umsetzer und ihre Zähleinrichtungen eine potentialtrennende Übertragungsstrecke geschaltet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Gruppen von zugeordneten Umsetzern eine eigene Umschalteinrichtung und ein eigener zusätzlicher Wandler auf der einen Seite der Übertragungsstrecke zugeordnet sind und daß auf der anderen Seite der Übertragungsstrecke die Ausgangsimpulse der zusätzlichen Wandler nacheinander auf eine mehreren zusätzlichen Wandlern gemeinsame Zähleinrichtung geschaltet werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Ausgänge der Umschalteinrichtung mit je einem Steuereingang der zugeordneten Wandler und des zusätzlichen Wandlers verbunden sind und jeweils innerhalb des Zeitintervalls, in dem eine Eingangsgröße auf den Steuereingang des zusätzlichen Wandlers aufgeschaltet ist, dem Steuereingang des dieser Eingangsgröße zugeordneten Wandlers die Referenzgröße und anschließend wieder die Eingangsgröße zuführen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang der Umschalteinrichtung nur mit dem Steuereingang des zusätzlichen Wandlers derart verbunden ist, daß entweder die Referenzgröße nur auf den Steuereingang des zusätzlichen Wandlers oder eine Eingangsgröße gleichzeitig auf den Steuereingang des zugeordneten Wandlers und des zusätzlichen Wandlers aufgeschaltet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung mindestens einen Multiplexer enthält.

17. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Ablaufsteuerung für die Steuerung des Umschalters und je eines einem Wandler zugeordneten Zählers, die jeweils nach einem Schaltvorgang im Eingangskanal eines Wandlers für die Dauer einer vorgegebenen Einschwingzeit den zugeordneten Zähler sperrt.