DE3803104A1 - Schaltungsanordnung zur korrektur schwacher analoger spannungen von messwertgebern bei starker nichtlinearitaet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Korrektur schwacher analoger Spannungen, die von einem oder mehreren Meß­ wertgebern über mindestens einen Verstärker, einen Analog/Digi­ tal-Wandler und einen Mikrocontroller einem Auswertungsgerät zu­ führbar sind.

Die maximalen Signalspannungen, die von gewissen Meßwertgebern, wie Dünnschichtgebern oder Piezogebern geliefert werden, gehen nicht über wenige Millivolt hinaus, und Offset und Signalhub streuen in einem weiten Bereich. Ferner sind die vom betreffen­ den Meßwertgeber erzeugten Spannungen durchweg von der Umgebungs- und Eigentemperatur des Meßwertgebers stark und obendrein nicht­ linear abhängig, woraus sich Probleme bei allen praktischen Mes­ sungen (außerhalb der Laboratoriumsbedingungen) ergeben.

Diese Eigenschaften der Sensorelemente erfordern bei der heute üblichen digitalen Signalverarbeitung entweder einen Analog/Digi­ tal-Wandler mit hoher Auflösung, der sehr kostspielig ist, oder einen aufwendigen Abgleich des Vorverstärkers.

Es ist auch eine Anordnung bekannt, bei der eine digitale Korrek­ tur des Temperaturganges erfolgt.

Bei dieser Anordnung wird das Gebersignal verstärkt und digita­ lisiert und in einem Mikrorechner unter Zuhilfenahme eines digi­ talisierten Temperatursignals temperaturkompensiert.

Diese Anordnung ist aber für die vorliegenden Zwecke nicht brauchbar, da das Sensorausgangssignal innerhalb eines weiten Be­ reiches variieren kann und einen sehr kleinen Signalhub hat.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs bezeichneten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe der in einem Speicher abgelegten Korrekturwerte den Signalhub der Sen­ sorverstärkereinheit dem Eingangsspannungsbereiche des Analog/ Digital-Wandlers anzupassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zwi­ schen dem (jeweiligen) Meßwertgeber und dem Analog/Digital-Wand­ ler eingefügte Verstärker bezüglich des Verstärkungsgrades und Offset durch digitale Steuersignale aus einem Mikrocontroller stufenweise umschaltbar ist.

Für unmittelbare Abgleichvorgänge kann in Weiterbildung der Er­ findung ein Temperaturgeber direkt an einem für zwei oder mehrere Kanäle ausgelegten Analog/Digital-Wandler parallel zu der (bzw. den) Reihenschaltung(en) aus Meßwertgeber und Verstärker ange­ schlossen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird im folgenden ausführlich erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung mit Merk­ malen der Erfindung und

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines stufenweise schaltbaren Verstärkers für die Schaltungsanordnung der Fig. 1.

In der Fig. 1 ist als Blockschaltbild eine Schaltungsanordnung zur Fehlerkorrektur von analogen Signalen, die von je einem Meß­ wertgeber 12 bzw. 14 abgegeben werden, mit Hilfe digitaler Kor­ rektursignale aufgezeigt, die einem digitalen Speicher 10, einem sog. NV-RAM entnommen werden.

Zwischen dem Speicher 10 und einem Mikrocontroller 20 besteht der übliche Austausch von Befehls- und Datensignalen, zu denen auch die genannten digitalen Korrektursignale zählen, die im Mikrocontroller 20 einer Bearbeitung unterzogen werden können. Wenn als Meßwertgeber 12 bzw. 14 Dünnschicht- oder Piezogeber benutzt werden, die analoge Signale in der Größenordnung bis zu einigen Millivolt erzeugen, ist eine unmittelbare Verstärkung solcher Meßsignale in einem dem Meßwertgeber 12 bzw. 14 direkt nachgeschalteten Verstärker 16 bzw. 18 unbedingt notwendig, um unübersehbare äußere Einflüsse auf die Meßsignale von wenigen Millivolt auszuschalten.

Gemäß der Erfindung sind die Verstärker 16 und 18 in spezieller Weise ausgebildet und werden über Leitungen 22 durch Steuersigna­ le aus dem Mikrocontroller 20 bezüglich ihres Verstärkungsgrades und Offset stufenweise geschaltet. Auf diese Weise werden die analogen Meßsignale aus den Meßwertgebern 12 und 14 verstärkt, und die verstärkten analogen Signale sind zugleich mit Korrek­ turgrößen versehen, die von den digitalen Korrekturwerte aus dem Speicher 10 festgelegt werden. Diese digitale Korrekturwer­ te werden im Mikrocontroller 20 in passende Steuersignale für die Verstärker 16 und 18 umgeformt. Ein Prinzipschaltbild eines sol­ chen Verstärkers 16 bzw. 18 ist in der Fig. 2 dargestellt.

Die verstärkten und korrigierten analogen Meßsignale werden vom jeweiligen Verstärker 16 bzw. 18 einem Mehrkanal/Analog/Digital- Wandler 24 zugeleitet, der sie in digitaler Form über den Mikro­ kontroller 20 an eine Schnittstelle oder ein Auswertungsgerät (nicht gezeigt) ausgibt. Wie aus der Fig. 1 ferner hervorgeht, ist an einem der Eingänge des Mehrkanal-Analog/Digital-Wandlers 24 ohne Einschaltung eines Verstärkers unmittelbar ein Tempera­ tur-Signalgeber 26 angeschlossen. Mit seiner Hilfe kann das ge­ samte Meßgerät in Abhängigkeit von der tatsächlichen Umgebungs­ temperatur aktiv abgeglichen werden, indem sowohl der Verstärker in Abhängigkeit von der Temperatur verstellt als auch das ver­ stärkte Sensorsignal mit Hilfe einer Wertetabelle im Mikrocon­ troller verrechnet wird.

In dem Prinzipschaltbild der Fig. 2 ist ein Verstärkerglied 28 mit seinen Eingangsklemmen +, - über je einen Widerstand 29, 30 an dem Meßwertgeber 12 oder 14 angeschlossen. Zur Korrektur der analogen Meßsignale aus dem Meßwertgeber 12 oder 14 durch die Steuersignale, die, wie bereits erwähnt, in Leitungen 22 aus dem Mikrocontroller 20 herangeführt werden, ist mit den beiden Ein­ gangsklemmen +, - des Verstärkergliedes außerdem je ein Korrektur­ abschnitt 32 bzw. 33 verbunden, von denen der eine zur Korrektur des Offset und der andere zur Korrektur des Verstärkungsgrades vorgesehen ist. In den beiden in ihrem Aufbau ähnlichen Korrek­ turabschnitten 32 und 33 sind zahlreiche elektronische Schalter 34, 34′, 34′′, von denen nur diese drei dargestellt sind, in Rei­ he mit einem Bemessungswiderstand 36, 36′, 36′′ parallel geschal­ tet und werden jeweils durch ein aus dem Mikrocontroller 20 her­ angeführtes Steuersignal betätigt. Weitere ohmsche Widerstände (ohne Bezugsnummer) dienen der Anpassung und haben hier keine be­ sondere Bedeutung.

Im Rahmen der Erfindung sind am zuvor erläuterten Ausführungsbei­ spiel zahlreiche Abänderungen möglich. So können die digitalen Korrektursignale anstatt in einem zentralen Speicher in verstär­ kereigenen Speichern, z. B. in sog. "Eeprom", bereitgehalten wer­ den, die mit den Leitungen 22 der Fig. 2 verbunden sind. Dabei kann es zum Zusammenbau, also zur leichteren Handhabung beim Ver­ binden der einzelnen Komponenten der Schaltungsanordnung vorteil­ haft sein, den oder die Verstärker 16 bzw. 18 gemeinschaftlich auf einem integrierten Schaltungschip auszubilden. Obgleich im erläuterten Ausführungsbeispiel nur zwei Meßwertgeber 12 und 14 benutzt werden, kann der Mehrkanal-Analog/Digital-Wandler 24 noch weitere analoge Meßsignale von parallelen Meßwertgebern und je einen mit dem Meßwertgeber in Reihe liegenden Verstärker, der wie die Verstärker 16 und 18 durch digitale Korrektursignale stufenweise umschaltbar ist, empfangen und als korrigierte, digi­ tale Meßsignale an den Mikrocontroller 20 weiterleiten.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Korrektur schwacher analoger Spannungen, die von einem oder mehreren Meßwertgebern über min­ destens einen Verstärker, einen Analog/Digital-Wandler und einen Mikrocontroller einem Auswertungsgerät zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem (jeweiligen) Meßwertgeber (12; 14) und dem Analog/Digital-Wandler (24) eingefügte Verstär­ ker (16; 18) bezüglich des Verstärkungsgrades und Offset durch di­ gitale Steuersignale aus einem Speicher (10) stufenweise um­ schaltbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der digitale Speicher (10) am Mikrocontroller (20) angeschlossen ist, von dem dem (bzw. den) Verstärker(n) (16; 18) zur stufenweise Umschaltung die digitalen Steuersignale zuführ­ bar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der jeweilige Verstärker (16; 18) über einen eige­ nen Speicher von digitalen Korrektursignalen verfügt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für unmittelbare Abgleichvorgänge ein Tempe­ ratur-Signalgeber (26) direkt an einem für zwei oder mehrere Ka­ näle ausgelegten Analog/Digital-Wandler (24) parallel zu dem bzw. den Verstärker(n) (16; 18) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Verstärker (16; 18) und der Speicher (10) auf einem integrierten Schaltungschip ausgebildet sind.