DE4220012C2

DE4220012C2 - Ratiometrischer Konverter

Info

Publication number: DE4220012C2
Application number: DE4220012A
Authority: DE
Inventors: Donald Allan Kerth; Douglas Scott Piasecki
Original assignee: Crystal Semiconductor Corp
Current assignee: Crystal Semiconductor Corp
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2012-06-20
Also published as: GB2256927B; US5172115A; DE4220012A1; JPH0645942A; GB9206963D0; GB2256927A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ratiometrischen Konver ter mit Korrektur nichtratiometrischer Offset-Fehler, welche während des Betriebs eines Analog/Digital-Wandlers auftreten, wobei der Analog/Digital-Wandler einen Eingang pur Aufnahme ei nes analogen Meßsignals und einen Eingang zum Anlegen einer Re ferenzspannung aufweist, und wobei das analoge Meßsignal bzw. die Referenzspannung nicht ratiometrische Offset-Spannungen ent halten, und wobei der Analog/Digital-Wandler damit eine ratiome trische Operation ausführt und ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional dem analogen Meßsignal und umgekehrt proportional der Referenzspannung ist.

Ein nach dem Prinzip der Quotientenmessung arbeitender Wandler (ratiometrischer Konverter) ist ein Wandler, dessen Ausgang um gekehrt proportional zu seiner Referenzspannung und direkt pro portional zu seiner Eingangsspannung ist. Es gilt also:

Solche ratiometrischen Konverter werden in vielen Wandlersyste men eingesetzt, um die Drift und tieffrequenten Störgeräusche zu unterdrücken, welche typischerweise in der Referenzspannung des Systems auftreten. Ein typisches Wandlersystem umfaßt eine Last zelle, die durch die Referenzspannung mit Energie versorgt wird. Die über der Lastzelle auftretende Spannungsdifferenz ist pro portional zu der Referenzspannung, die durch die an den Wandler angelegten Kräfte multipliziert wird. Dies ist das Eingangs signal für die Differenzeingänge eines ratiometrischen Konver ters, wobei der Ausgang dann umgekehrt proportional zu der Refe renz, welche die Lastzelle mit Energie versorgt, ist und propor tional zu der Ausgangsspannung des Wandlers. Infolge des Einsat zes eines ratiometrischen Konverters hängt der Ausgang nicht von der Referenzspannung des Systems ab.

Die praktische Konsequenz hiervon ist, daß Offset-Spannungen, welche nicht von der Referenzspannung abhängig sind, das heißt also nichtratiometrisch sind, im Referenz-Eingang zu dem ratio metrischen Konverter auftreten und damit auch in den analogen Eingangs-Meßleitungen. Diese Offset-Spannungen können sowohl ex tern als auch intern bezüglich des Konverters sein. Thermische EMK, Thermoelemente, Ladungsinjektionen und Hochfrequenzstörun gen zählen zu den Offset-Mechanismen. Diese Spannungsverschie bungen können einen Fehler im Ausgang erzeugen, welcher von der Referenzspannung abhängig ist. Wegen der Anwesenheit dieser nichtratiometrischen Verschiebungen ist die Messung dann nicht länger ratiometrisch, beispielsweise weil diese unabhängig von der Referenzspannung sind.

Vorhandene Systeme benutzen typischerweise Wechselspannungs-Er regung, um externe nichtratiometrische Verschiebungen zu unter binden. Bei einem wechselspannungserregten System wird die Refe renzspannung des Systems moduliert, welche dann das Ausgangs signal des Übertragers moduliert. Jede nichtratiometrische Ver schiebung (Offsets), die in der Referenzspannung und in den Ein gangsspannungs-Abtastleitungen enthalten sein mögen, werden nicht moduliert. Aus diesem Grunde werden Offset-Spannungen, die vor dem Demodulations-Teil des Systems auftreten, in der Fre quenz aufmoduliert, wenn die Eingangssignale und Referenzspan nungs-Signale zurück nach unten demoduliert werden. Diese modu lierten Offset-Spannungen werden durch Nachfilterung entfernt. Solche Offset-Spannungen, die nach dem Demodulations-Teil auf treten, können allerdings nach wie vor die Quotientenmessung verfälschen. Bei Systemen mit niedriger Auflösung sind solche Offsetspannungen nicht weiter signifikant, weil deren Effekt durch den Verstärkungsfaktor des Instrumentationsverstärkers an der Eingangsseite des Systems heruntergeteilt wird. Bei hochauf lösenden Systemen stellen diese Verschiebungsspannungen aller dings nach wie vor ein aktuelles Problem dar.

Ein anderer Typ von Architektur, die sogenannte "Doppelpump"-Er regungsarchitektur, stellt eine Methode zur Minimierung nichtra tiometrischer Offset-Effekte dar. Bei dieser Topologie ist der ratiometrische digitale Ausgang eine lineare Kombination von zwei Messungen; eine für die Referenzspannung bei halbem Maßstab und die andere für die Referenzspannung bei vollem Maßstab (full scale). Dies ist analog einem Selbstnull-Schema (Autozero). Die Doppelpump-Architektur geht davon aus, daß die beiden Referenz spannungen perfekt im Verhältnis sind, um die nichtratiometri schen Verschiebungen auszuschalten. Wenn beispielsweise das Ver hältnis zwischen Referenzspannung im halben Maßstab zur Refe renzspannung in vollem Maßstab mit einem Fehler von einem Pro zent behaftet ist, dann wird ein Prozent der nichtratiometri schen Offset-Spannungen nicht ausgeglichen. Aus diesem Grunde wird das Doppelpump-System weiterhin nichtratiometrische Offset- Fehler im System haben.

Die Korrektur von Offset-Fehlern bei der Analog-Digital-Umset zung ist aus der US 49 43 807 und der Veröffentlichung "Correc ting errors digitally in data acquisition and control", erschie nen in Electronics, 22. November 1979, Seiten 123 bis 128, be kannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen ratiometrischen Konverter vorzuschlagen, welcher nichtratiometrische Offset-Feh ler, die während des Betriebs eines Analog/Digital-Wandlers auf treten, beseitigt. Weiterhin soll ein Verfahren vorgestellt wer den, mit welchem nichtratiometrische Offset-Fehler korrigiert werden können.

Gelöst wird die Aufgabe bei einem ratiometrischen Konverter der eingangs genannten Art dadurch, daß eine Kalibrierschaltung zur Bestimmung der Werte der nichtratiometrischen Offset-Spannungen, die in dem analogen Meßsignal bzw. der Referenzspannung enthal ten sind, vorgesehen ist, und daß der Konverter eine Speicher einrichtung zur Abspeicherung nichtratiometrischer Offset-Daten, die den erfaßten nichtratiometrischen Offset-Werten entsprechen und eine Korrekturschaltung zum Wechseln der Operationsparameter des Analog/Digital-Wandlers in Abhängigkeit der gespeicherten nichtratiometrischen Offset-Daten, um die nichtratiometrischen Offset-Spannungen vor der Ausführung der ratiometrischen Opera tion im wesentlichen zu entfernen, aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung einer nichtra tiometrischen Offset-Korrektur in einem Analog/Digital-Wandler, der eine ratiometrische Operation an einem Eingangs-Meßsignal und einem Eingangs-Referenzsignal ausführt, umfaßt folgende Ver fahrensschritte: Zunächst wird ein Eingangs-Meßsignals und ein Eingangs-Referenzsignals am Eingang des Analog/Digital-Wandlers empfangen, wobei das Eingangs-Meßsignal oder das Eingangs-Refe renzsignal nichtratiometrische Offsetspannungen am Eingang mit sich bringen. Anschließend wird damit eine ratiometrischen Ope ration durchgeführt. Dann wird von dem Analog/Digitalwandler ein Ausgangssignal erzeugt, welches proportional zu dem Eingangs- Meßsignal und umgekehrt proportional zu dem Eingangs-Referenz signal im digitalen Bereich ist. Im Anschluß daran werden die nichtratiometrischen Offset-Werte, welche den mit dem Eingangs- Meßsignal bzw. dem Eingangs-Referenzsignal verknüpften nichtra tiometrischen Offset-Spannungen am Eingang entsprechen, abge speichert. Abschließend werden während des Betriebs des Ana log/Digital-Wandlers und vor der ratiometrischen Operation in dem Analog/Digital-Wandler die abgespeicherten nichtratiometri schen Offset-Werte von dem Eingangs-Meßsignal bzw. dem Eingangs- Referenzsignal subtrahiert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 13 und den Ansprüchen 15 und 16.

Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach stehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Überalles-Blockschaltbild eines ratiometri schen A/D-Wandlers mit nichtratiometrischem Offset-Korrekturblock und mit Systemkalibrie rung;

Fig. 2 ein Überalles-Blockschaltbild des ratiometri schen Konverters mit nichtratiometrischer Offset- Korrektur;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines ratiometrischen Konver ters mit nichtratiometrischer Offset-Kalibrie rung; und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines ratiometrischen Konver ters mit analoger Korrektur von nichtratiometri schen Offset-Spannungen.

Fig. 1 enthält das Blockschaltbild eines ratiometrischen Konverters mit nichtratiometrischer Offset-Korrektur. Eine Lastzelle 10 hat eine erste Ausgangs-Meßleitung 12 und eine zweite Ausgangs-Meßleitung 14. Ferner ist eine Referenzspan nung vorgesehen, welche die Lastzelle 10 über eine Leitung 16 mit Energie versorgt, wobei die andere Seite der Lastzelle 10 über eine Leitung 18 an Masse liegt. Bei der Lastzelle 10 handelt es sich um einen beliebigen Typ von Übertrager, der in Systemen wie Gleichspannungs-, Meß- und Steuersystemen benutzt wird, wobei der Übertrager eine Ausgangsspannung hat, welche proportional einer bestimmten aufgebrachten Kraft bzw. Temperatur und gleichfalls proportional zu der Referenzspan nung VREF ist.

Die Meßleitungen 12 und 14 sind an einen ratiometrischen Analog/Digital-Wandler 20 (A/D-Konverter) angeschlossen, zusätzlich zu der Referenzspannung VREF auf Leitung 16. Der ratiometrische Konverter 20 erzeugt einen ratiometrischen Ausgang, der proportional zu seinem analogen Eingang und umgekehrt proportional zu seiner Referenzspannung ist. Somit würde das Gesamtsystem unempfindlich gegenüber jedweder Schwankung der Referenzspannung VREF. Jedoch sind nichtratio metrischen Offset-Spannungen auf den Meßleitungen 12 und 14 und ebenso auf den Leitungen 16 für die Referenzspannung durch Offset-Blöcke 22, 24 und 26 dargestellt. Der Offset- Block 22 ist in Reihe zwischen der Referenzspannung auf Lei tung 16 und dem ratiometrischen Konverter 20 angeordnet; die Offset-Blöcke 24 und 26 sind in Reihe mit den Meßleitungen 14 bzw. 12 an den Eingängen des ratiometrischen Konverters 20 dargestellt.

Der ratiometrische A/D-Konverter 20 erzeugt ein digitales Ausgangssignal, das auf den positiven Eingang eines nichtra tiometrischen Fehler-Offset-Blocks 28 gegeben wird. Offset werte, die in einer Speichereinrichtung 30 abgespeichert sind, werden auf den negativen Eingang des ratiometrischen Offset-Blocks 28 gegeben. Die Offset-Werte werden dazu be nutzt, um den Fehler im digitalen Ausgangssignal des ratiome trischen A/D-Konverters 20 auszugleichen, so daß ein Wert ausgegeben wird, welcher bezüglich nichtratiometrischer Off set-Spannungen fehlerfrei ist. Dieser Wert wird dann auf einen System-Kalibrierblock 32 zu Zwecken der Kalibrierung des Systems gegeben.

Der System-Kalibrierblock 32 ist nur dazu da, hinsichtlich Verstärkungsfehler und ratiometrischer Offset-Spannungen zu kalibrieren. Die nichtratiometrischen Offset-Spannungen kön nen in diesem System-Kalibrierblock nicht kalibriert werden. Deshalb werden die nichtratiometrischen Offset-Werte zuerst bestimmt und dann in der Speichereinrichtung 30 abgespei chert. Anschließend werden diese Werte von dem digitalen Ausgangssignal des A/D-Konverters 20 subtrahiert, und zwar vor der Kompensierung hinsichtlich des Verstärkungsfaktors des Systems und der ratiometrischen Offset-Spannungen.

Wie noch später erläutert, werden die nichtratiometrischen Offset-Werte nach der Umwandlung aus dem analogen Bereich in den digitalen Bereich bestimmt und dann die Offset-Korrektur durchgeführt, und zwar auf eine von zwei möglichen Weisen. Eine erste Methode besteht darin, daß der den nichtratiometri schen Fehler repräsentierende Offset-Wert für jedes einzelne Wort bestimmt und dann der digitale Wert dieses Wortes durch diesen Offset-Wert auf einer Wort-bei-Wort-Basis korrigiert wird. Bei der zweiten Methode wird das System dadurch kali briert, daß der Offset-Wert in einem Kalibrierprozeß bestimmt wird, daß dieser Wert in ein Register eingespeichert wird, und daß anschließend der abgespeicherte Offset-Wert subtra hiert wird. Selbstverständlich muß bei der zweiten erwähnten Methode das System periodisch immer wieder im Hinblick auf nichtratiometrische Offset-Spannungen wieder kalibriert wer den; dies ist erforderlich wegen Drift, Temperaturschwankun gen etc. innerhalb des Systems.

In Fig. 2 ist ein detailliertes Blockschaltbild eines ratio metrischen Konverters mit Korrektur nichtratiometrischer Offset-Spannungen dargestellt. Die Meßleitung 14 ist mit dem einen Eingang eines Instrumentierungs-Verstärkers 34 verbun den, welcher einen Verstärkungsfaktur "G" hat, wobei nur der Offset-Fehler 24 dargestellt und mit VOFF2 bezeichnet ist. Der Fehler-Block 26 ist aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. Zwei A/D-Wandler 36 und 38 sind vorgesehen, die Teil eines "Dual-Konverters" sind, welcher ein Konverter ist, der digital ins Verhältnis gesetzt wird. Dieser Typ von Kon verter digitalisiert die Referenz- und Wandler-Meßsignale jeweils separat und ist im wesentlichen immun gegenüber Inter ferenzen, die möglicherweise an seinen Eingängen eingekoppelt werden. Bevorzugt sind die A/D-Konverter 36 und 38, welche den Hauptbestandteil des Dual-Konverters bilden, Konverter, die auf Delta-Sigma-Modulatoren basieren.

Die Differenzausgänge des Instrumentations-Verstärkers 34 werden auf zwei Eingänge AINP und AINM eines A/D-Wandlers 38 gegeben. Der Eingang AINP geht durch einen Offset-Block 40, der die Offset-Spannung VOFF4 hat. Die Leitung 16, welche die Referenzspannung daran angelegt hat und den damit verbundenen Fehlerblock 22 mit der Spannung VOFF1 daran angelegt hat, ist mit der einen Seite eines Widerstands 42 verbunden, wobei dessen andere Seite über einen Fehlerblock 44 mit einer Span nung VOFF3 mit dem positiven Eingang AINP des A/D-Konver ters 36 verbunden ist. Die andere Seite des Widerstands 42 ist mit Masse über einen Widerstand 46 verbunden; die Wider stände 42 und 46 stellen ein Widerstands-Teilernetzwerk dar. Der negative Eingang AINM des A/D-Wandlers 36 ist mit Masse verbunden. Die Eingänge VREF der A/D-Wandler 36 und 38 sind beide mit einer internen Referenzspannung VREFI verbunden, welche von der mit Leitung 16 verbundenen Referenzspannung abweicht.

Das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers 36, welches mit DVREF bezeichnet ist, wird auf einen digitalen Subtrahier schaltkreis 48 gegeben; gleichzeitig wird das digitale Aus gangssignal DAIN des A/D-Wandlers 38 auch auf einen digitalen Subtrahierschaltkreis 50 gegeben. Wie noch später näher erläu tert, unterdrücken die digitalen Subtrahierschaltkreise 48 und 50 die nichtratiometrischen Offset-Spannungen während einer Subtraktions-Operation. Die Subtraktions-Operation wird auf Wort-bei-Wort-Basis in solcher Weise ausgeführt, daß die nichtratiometrischen Offset-Spannungen zunächst erfaßt und anschließend subtrahiert werden. Das Ausgangssignal ΔDVREF des digitalen Subtrahierschaltkreises 48 wird auf einen digi talen ratiometrischen Operations-Block 52 gegeben. In glei cher Weise wird das Ausgangssignal ΔDAIN des digitalen Subtra hierschaltkreises 50 auch auf einen digitalen ratiometrischen Operations-Block 52 gegeben. Der digitale ratiometrische Operations-Block arbeitet nach einem vorbestimmten Algorith mus in der Weise, daß dann, wenn das System als ratiometri scher Konverter eingesetzt wird, eine Division ausgeführt wird, in welcher das digitalisierte Meßsignal ΔDAIN durch das digitalisierte Referenzsignal ΔDVREF dividiert wird.

Der Ausgang des digitalen ratiometrischen Operations- Blocks 52 ist gleichzeitig Eingang eines Systemkalibrierungs- Steuerblocks 54 sowie eines Subtrahierblocks 56. Die System kalibrier-Steuerung funktioniert so, daß sie einen Wert für den Ausgangs-Kalibrier-Offset bestimmt und diesen bestimmten Wert in ein Register 58 einspeichert, dessen Ausgang auf einen Subtrahierblock 56 am negativen Eingang hiervon gegeben wird. Das Ausgangssignal des Subtrahierblocks 46 wird auf einen Multiplikations-Block 60 gegeben; dessen anderer Ein gang wird von dem Ausgang eines Registers 62 beaufschlagt. Das Register 62 speichert einen Verstärkungsfaktor γCALG, welcher ebenfalls von der System-Kalibrier-Steuerung während eines Kalibriervorgangs erzeugt wird. Wie bereits erwähnt, ist dieser Kalibriervorgang in dem US-Patent Nr. 4 943 807 beschrieben, auf welches hier Bezug genommen wird. Das kali brierte digitale Ausgangssignal DOUT wird auf eine Leitung 63 ausgegeben.

Die Referenzspannung auf der Leitung 16 ist mit einer Seite zweier Schalter 64 und 66 verbunden. Die Schalter 64 und 66 werden durch ein Signal CNTRL bzw. ein Signal CNTRL gesteu ert. Die andere Seite des Schalters 64 ist mit einem Span nungssignal α . VREF und die andere Seite des Schalters 66 mit der Spannung VREF verbunden. Die Spannung α . VREF unterschei det sich von der Spannung VREF durch einen Faktor "α".

Für eine Referenzspannung VREF gelten für DAIN1 und DVREF1 folgende Beziehungen:

wobei χ der dimensionslose Verstärkungsfaktor des Wandlers ist, und

wobei β der Betrag für die Dämpfung der Referenz ist.

Gleichungen (2) und (3) definieren die erste Umwandlung, wobei die zweite Umwandlung mit der Referenzspannung α . VREF durchgeführt wird. α kann jede Zahl außer "1" sein, wobei α = 0 ebenso zulässig ist. Die zweite Umwandlung stellt sich dar als:

Das digitale Ausgangssignal ist das Verhältnis der Differen zen zwischen beiden Umwandlungen. Darüber hinaus korrigiert die System-Kalibrierung auch hinsichtlich ratiometrischer Offset-Spannungen und Verstärkungsfehlern wie folgt:

Es sei darauf hingewiesen, daß die nichtratiometrischen Offset-Spannungen (VOFF1, VOFF2, VOFF3, VOFF4) von DOUT ent fernt werden ohne Rücksicht auf den aktuellen Wert von α. Die nichtratiometrischen Offset-Spannungen werden vor einer eventuellen Entfernung der ratiometrischen Offset-Spannungen als Ergebnis der System-Kalibrierung entfernt.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dort wird ein ratiometrischer Konver ter mit nichtratiometrischer Offset-Kalibrierung verwendet. Der Schaltkreis entspricht im wesentlichen demjenigen von Fig. 2, jedoch mit der Ausnahme, daß die Lastzelle 10 zwi schen die Leitungen 16 und 18 geschaltet ist, wobei die Lei tung 16 mit der einen Seite eines Schalters 68 verbunden ist und die Leitung 18 nicht mit Masse, sondern stattdessen mit der einen Seite eines Schalters 70 verbunden ist. Die andere Seite des Schalters 68 ist an eine Spannung +VREF/2 gelegt, und die andere Seite des Schalters 70 ist mit einer Spannung -VREF/2 verbunden. Ein Schalter 72 ist vorgesehen, welcher zwischen die Leitung 16 und Masse geschaltet ist, und es ist ein Schalter 73 vorgesehen, welcher zwischen die Leitung 18 und Masse geschaltet ist. Das Steuersignal für die Schal ter 72 und 73 ist ein Signal CAL, und das Steuersignal für die Schalter 68 und 70 ist ein Signal CAL, welches das inver tierte Signal CAL ist. Die Leitung 16 ist über den Offset- Block 22 mit der einen Seite des Widerstands 42 verbunden. Die andere Seite des Widerstands 42 ist mit einer Seite eines Widerstands 74 verbunden, und ebenso mit VOFF3, was dann mit AINP des Wandlers 36 verbunden ist. Die andere Seite des Widerstands 74 ist mit dem Eingang AINM des Wandlers 36 ver bunden, und auch mit der einen Seite eines Widerstands 76. Die andere Seite des Widerstands 76 ist mit der Leitung 18 verbunden.

Der Ausgang DVREF des A/D-Wandlers 36 ist mit dem positiven Eingang eines Subtrahierblocks 78 verbunden. Die negative Seite dieses Subtrahierblocks ist mit dem Ausgang eines Off set-Registers 80 verbunden. Das Offset-Register 80 wird von einem Kalibrier-Steuerblock 32 aufgeladen, welcher den Aus gang des Wandlers 36 als einen Eingang aufnimmt. In gleicher Weise stellt der Ausgang DAIN des A/D-Wandlers 38 das Ein gangssignal für den positiven Eingang eines Subtrahier blocks 34 dar, dessen negativer Eingang mit dem Ausgang eines Offset-Registers 36 verbunden ist. Das Offset-Register 36 wird von einem Kalibrier-Steuerblock 38 aufgeladen, wobei der Eingang des Kalibrier-Steuerblocks 88 mit dem Ausgang des A/ D-Wandlers 38 verbunden ist. Die Kalibrier-Steuerblöcke 82 und 88 arbeiten so, daß sie während des Kalibrier-Zyklus die nichtratiometrische Offset-Spannung bestimmen, welche DOFF1 für das Offset-Register 80 und DOFF2 für das Offset-Regi ster 86 ist. Diese Offset-Spannungen können von den Ausgangs signalen der A/D-Wandler 36 und 38 subtrahiert werden, um so die Signale ΔDVREF und ΔDAIN zu erhalten. Diese sind dann die Eingangssignale für den ratiometrischen Operations block 52, welcher - wie beschrieben - eine Division ausführen kann. Das Ausgangssignal des Blocks 52 wird auf den System- Kalibrierblock 32 gegeben, wie dies anhand von Fig. 2 vor stehend beschrieben wurde.

Während des Betriebs ist es notwendig, einen Kalibrierschritt für den ratiometrischen Konverter vor der Inbetriebnahme des Systems zu beginnen. Während der nichtratiometrischen Offset- Kalibrierung wird die Referenzspannung mittels der Schal ter 72 und 73 geerdet (bzw. kurzgeschlossen). Bei geerdeter Referenzspannung mißt der A/D-Wandler die System-Offsetspan nungen DOFF2 und DOFF1, deren Werte in den Registern 80 und 86 abgespeichert werden. Die zugehörigen Gleichungen lauten:

Aus den Gleichungen (9) und (10) ist ersichtlich, daß dann, wenn die Wechselspannungserregung benutzt wird, die Offset- Spannungen, die vor der Demodulation auftreten, durch Filte rung entfernt werden. In einem mit Wechselspannung erregten System wird die Übertrager-Referenzspannung durch Signale moduliert, welche Sehalter steuern, die mit der Referenzspan nung verbunden sind, so daß die Polarität der Lastzelle ein Wechselspannungs-Signal ist. Ein Demodulations-Block würde dann in dem ratiometrischen Konverter erforderlich sein, um die wechselspannungserregte Referenzspannung in einen Gleich spannungs-Wert umzusetzen. Diese Demodulation moduliert gege benenfalls jede nichtratiometrische Offset-Spannung, die vor dem Demodulations-Block auftritt, in ein Wechselspannungs- Signal. Diese wechselspannungserregten Offset-Spannungen können dann durch Filterung entfernt werden.

Während normaler Konvertierungen werden die abgespeicherten Offset-Spannungen von den digitalen Referenz und Wandler- Meßwerten subtrahiert. Der Pfad VREF wird wie folgt verarbei tet:

ΔD_VREF = D_VREF - D_OFF1 (11)

Substitution von DVREF in obiger Gleichung (11) ergibt:

Substiiert man DAIN in Gleichung (12), so erhält man:

Der analoge Eingangspfad wird verarbeitet gemäß:

ΔD_AIN = D_AIN - D_OFF2 (14)

Setzt man DAIN in Gleichung (14), so erhält man:

Einsetzen von Gleichung (10) in Gleichung (15) ergibt:

ΔAIN wird durch ΔDVREF digital dividiert, um ein ratiometri sches Ausgangssignal zu erhalten. Dieses ratiometrische Aus gangssignal wird korrigiert, um ratiometrische Offset-Spannun gen und Verstärkungsfehler innerhalb des System-Kalibrier blocks zu korrigieren.

Das Ausgangssignal ergibt sich zu:

Eine Betrachtung der Gleichungen (17) bis (21) ergibt, daß alle nichtratiometrischen Offset-Spannungen (VOFF1, VOFF2, VOFF3, VOFF4) entfernt werden, vorausgesetzt, Drift und Alte rung sind vernachlässigbar. Selbstverständlich ist es erfor derlich, daß periodisch Kalibrierungen ausgeführt werden, um derartige Einflüsse wie Drift zu berücksichtigen. Die bevor zugte Ausführung ermöglicht also einen höheren Durchsatz als die vorherige Ausführung, da nur eine einzige Konvertierung für jedes ausgegebene Wort erforderlich ist.

In Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform der vorliegen den Erfindung dargestellt, welche einen ratiometrischen Kon verter mit analoger Korrektur benutzt. Das Signal VREF, das Eingang für die Eingänge AINP und AINM des A/D-Wandlers 36 ist, wird zuerst auf den positiven Eingang eines Subtrahier blocks 94 gegeben, dessen Ausgangssignal gleichzeitig Ein gangssignal für den Eingang AIN des A/D-Wandlers 36 ist. Obwohl hier nur ein einziger Eingang gezeichnet ist, soll dies so verstanden werden, daß zwei Eingänge vorhanden sind, nämlich ein positiver und ein negativer Eingang. In gleicher Weise wird das Eingangssignal VAIN von dem Instrumentations- Verstärker 34 auf den positiven Eingang eines Subtrahier blocks 96 gegeben, dessen Ausgangssignal gleichzeitig Ein gangssignal für den Eingang AIN des A/D-Wandlers 38 ist. Das Ausgangssignal DVREF des A/D-Wandlers 36 und das Ausgangssig nal DAIN des A/D-Wandlers 38 werden beide auf den ratiometri schen Operations-Block 52 gegeben, welcher eine Division ausführt. Das Ausgangssignal des Blocks 52 stellt das Ein gangssignal für den System-Kalibrierblock 32 dar.

Das Ausgangssignal DVREF des D/A-Wandlers 36 stellt das Ein gangssignal für einen Kalibrier-Steuerblock 38 dar, dessen Ausgang einen Offset-Wert zur Einspeicherung in ein Offset- Register 100 erzeugt. Allerdings wird der in dem Register 100 gespeicherte Offset-Wert dann auf den digitalen Eingang eines Digital/Analog-Wandlers (DAC) 102 gegeben, um den Wert in einen analogen Wert umzuwandeln, wobei die Referenzspannung VRFI als Referenz für den DAC 102 benutzt wird. Der analoge Ausgang des DAC 102 wird als Eingangssignal an den negativen Eingang eines Subtrahierblocks 94 gegeben. Der Kalibrier- Steuerblock 38 arbeitet als sukzessive Approximierungs-Rou tine, welche eine Steuerschleife zum sukzessiven Treiben des Ausgangs des D/A-Wandlers 102 vorsieht, so daß das Ausgangs signal DVREF des D/A-Wandlers 36 im wesentlichen den Wert Null annimmt. Das den Offset repräsentierende Steuerwort für den D/A-Wandler 102 wird im Register 100 abgespeichert. Bevor zugt wird die Kalibrieroperation ausgeführt, während die Referenzspannung des Übertragers geerdet bzw. kurzgeschlossen ist.

In gleicher Weise wird das Ausgangssignal DAIN des A/D-Wand lers 38 auf einen Kalibrier-Steuerblock 104 gegeben, ähnlich wie beim Kalibrier-Steuerblock 98. Der Steuerblock 104 er zeugt während der Kalibrieroperation einen Offset-Wert zur Einspeicherung in ein Offset-Register 106. Das Offset-Regi ster 106 wird dazu benutzt, um einen digitalen Offset-Wert für die Eingabe an einen DAC 108 vorzusehen, dessen analoges Ausgangssignal gleichzeitig Eingang für den negativen Eingang des Subtrahierblocks 96 ist. Der DAC 108 benutzt als Referenz die Referenzspannung VRFI. Im Betrieb wird der Offset-Wert im Register 106 im wesentlichen in der gleichen Weise bestimmt wie der Offset-Wert im Register 100.

Kurz zusammengefaßt wird hier ein ratiometrischer Konverter vorgeschlagen, mit dessen Hilfe innerhalb eines ratiometri schen Systems auftretende nichtratiometrische Offset-Spannun gen entfernt werden können. Das System bestimmt zuerst im digitalen Bereich die nichtratiometrischen Offset-Werte, speichert diese in ein Register ein und subtrahiert dann diese Offset-Werte, was in einer Eliminierung der nichtratio metrischen Offset-Spannungen resultiert. Bei einem ersten Betriebsmodus wird jedes Wort durch das System geleitet, um die nichtratiometrische Verschiebungsspannung zu bestimmen, und wird dann der nichtratiometrische Offset-Wert erzeugt und während eines zweiten Durchlaufs subtrahiert, so daß jedes Wort zwei Durchläufe erfordert. Bei einem zweiten Arbeits modus wird das System kalibriert, um den nichtratiometrischen Offset-Wert zu bestimmen, und wird anschließend dieser Wert in ein Register eingespeichert. Nachfolgende Durchläufe durch das System werden durchgeführt, wobei eine Subtrahier-Opera tion zur Entfernung der nichtratiometrischen Offset-Spannun gen führt. Anschließend wird das System kalibriert, um ratio metrische Fehler zu entfernen.

Claims

1. Ratiometrischer Konverter mit Korrektur nichtratiometrischer Offset-Fehler, welche während des Betriebs eines Analog/Digital- Wandlers (20) auftreten, wobei der Analog/Digital-Wandler einen Eingang zur Aufnahme eines analogen Meßsignals und einen Eingang zum Anlegen einer Referenzspannung aufweist, und wobei das ana loge Meßsignal bzw. die Referenzspannung nichtratiometrische Offset-Spannungen enthalten, und wobei der Analog/Digital-Wand ler damit eine ratiometrische Operation ausführt und ein Aus gangssignal erzeugt, das proportional dem analogen Meßsignal und umgekehrt proportional der Referenzspannung ist, gekennzeichnet durch

- eine Kalibrierschaltung (82, 88) zur Bestimmung der Werte der nichtratiometrischen Offset-Spannungen, die in dem analogen Meßsignal bzw. der Referenzspannung enthalten sind;
- eine Speichereinrichtung (80, 86) zur Abspeicherung nichtra tiometrischer Offset-Daten, die den erfaßten nichtratiometri schen Offset-Werten entsprechen; und
- eine Korrekturschaltung (78, 84) zum Wechseln der Operations parameter des Analog/Digital-Wandlers (20) in Abhängigkeit der gespeicherten nichtratiometrischen Offset-Daten, um die nichtratiometrische Offset-Spannungen vor der Ausführung der ratiometrischen Operation im wesentlichen zu entfernen.

2. Ratiometrischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Korrekturschaltung (78, 84) einen digitalen Subtrahierschaltkreis (48, 50) enthält, welcher die gespeicherten nichtratiometrischen Offset-Daten von dem Ein gangs-Meßsignal bzw. von der Eingangs-Referenzspannung subtra hiert.

3. Ratiometrischer Konverter nach Anspruch 1 oder 2, ge kennzeichnet durch eine System-Kalibriereinrichtung (32) zur Korrektur von Verstärkungsfehlern und ratiometrischen Offset-Spannungen nach der Korrektur der nichtratiometrischen Offset-Spannungen.

4. Ratiometrischer Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierschal tung (82, 88) für jeden Wert des Eingangs-Meßsignals, das von dem Analog/Digital-Wandler (20) verarbeitet wird, die nichtra tiometrischen Offset-Spannungen am Eingang bestimmt, so daß die Korrekturschaltung die für jeden Eingangswert des Eingangs-Meß signals im digitalen Bereich bestimmten, nichtratiometrischen Offset-Spannungen subtrahiert.

5. Ratiometrischer Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital- Wandler (20) umfaßt:

- einen ersten Analog/Digital-Wandler (36) zur Aufnahme des Eingangs-Meßsignals und zur Umwandlung dieses Eingangs-Meß signals in ein digitales Meßsignal auf der Basis eines inter nen Referenzsignals;
- einen zweiten Analog/Digital-Wandler (38) zur Aufnahme des Eingangs-Referenzsignals und zur Umwandlung dieses Eingangs- Referenzsignals in ein digitales Referenzsignal auf der Basis des internen Referenzsignals;
- eine Dividierschaltung (42, 46), die mit dem ersten Ana log/Digital-Wandler (36) und mit dem zweiten Analog/Digital- Wandler (38) verbunden ist, zum Dividieren des digitalen Meß signals durch das digitale Referenzsignal, so daß ein Aus gangssignal erzeugt wird;
- wobei die Korrekturschaltung (78, 84) eine Subtrahierschal tung (48, 50) umfaßt, die im digitalen Bereich arbeitet und die nichtratiometrischen Offset-Spannungen in der Speicher einrichtung (80, 86) von dem digitalen Meßsignal bzw. dem di gitalen Referenzsignal vor der Eingabe in die Dividierschal tung (42, 46) subtrahiert.

6. Ratiometrischer Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine nichtratiometrische Off set-Einrichtung, welche erste und zweite nichtratiometrische Offset-Werte jeweils für das Eingangs-Meßsignal und das Refe renz-Meßsignal, die von dem ersten und dem zweiten Analog/Digi tal-Konverter (36, 38) in einem ersten Durchlauf verarbeitet wurden, bestimmt und in einem zweiten Durchlauf die bestimmten Offset-Werte vom jeweiligen Ausgangssignal des ersten und zwei ten Analog/Digital-Konverters subtrahiert, um ein korrigiertes digitales Referenzsignal und ein digitales Meßsignal für die Eingabe in die Dividierschaltung (42, 46) zu erhalten.

7. Ratiometrischer Konverter nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die nichtratiometrische Offset- Einrichtung (82, 88) umfaßt:

- eine Referenz-Steuerung (64, 66) zur Steuerung der Referenz spannung, um ein erstes Referenzsignal während des ersten Durchlaufs zu erhalten, und um ein zweites Referenzsignal während des zweiten Durchlaufs zu erhalten, wobei die zweite Referenzspannung proportional der ersten Referenzspannung ge mäß einem vorbestimmten Proportionalitätsfaktor ist; und
- eine Steuereinrichtung (82, 88) zur Erzeugung von Offset-Wer ten, welche während des ersten Durchlaufs in der Speicherein richtung (80, 86) abgespeichert wird, wobei diese abgespei cherten Offset-Werte während des zweiten Durchlaufs mittels der Subtrahierschaltung von dem Ausgangssignal des Analog/Di gital-Wandlers subtrahiert werden, um das korrigierte digita le Referenzsignal und das digitale Meßsignal zu erhalten.

8. Ratiometrischer Konverter nach Anspruch 1, bei dem die nicht ratiometrischen Werte einen ersten nichtratiometrischen Offset- Wert enthalten, welcher den nichtratiometrischen Offset-Spannun gen im Eingangs-Meßsignal zugeordnet ist, sowie einen zweiten nichtratiometrischen Offset-Wert, welcher den nichtratiometri schen Offset-Spannungen im Eingangs-Referenzsignal zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherein richtung (80, 86) umfaßt:

- ein erstes Speicherregister (100) zur Abspeicherung der er sten nichtratiometrischen Offset-Werte; und
- ein zweites Speicherregister (106) zur Abspeicherung der zweiten nichtratiometrischen Offset-Werte;
- wobei die Korrekturschaltung (78, 84) einen ersten Subtrak tionsblock (94) umfaßt, welcher das Ausgangssignal des ersten Analog/Digital-Wandlers (36) und das Ausgangssignal des er sten Speicherregisters (100) empfängt und die zwei Werte sub trahiert, um ein korrigiertes digitales Meßsignal zu erhal ten, und
- wobei die Korrekturschaltung (78, 84) einen zweiten Subtrak tionsblock (96) umfaßt, welcher das Ausgangssignal des zwei ten Analog/Digital-Wandlers (38) und das Ausgangssignal des zweiten Speicherregisters (106) empfängt und die zwei Werte subtrahiert, um ein korrigiertes digitales Referenzsignal zu erhalten.

9. Ratiometrischer Konverter nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die nichtratiometrische Offset- Einrichtung umfaßt:

- eine Referenzsignal-Steuerung (64, 66) zur Steuerung des Ein gangs-Referenzsignals so, daß dieses auf dem Pegel einer er sten bestimmten Kalibrier-Referenzspannung während eines Ka librierzyklus liegt und außerhalb des Kalibrierzyklus auf ei nem Pegel der Eingangs-Referenzspannung; und
- eine Kalibriersteuerung (82, 88) zur Messung des Ausgangs signals des ersten und des zweiten Analog/Digital-Wandlers während des Kalibrierzyklus, um die ersten und zweiten nicht ratiometrischen Offset-Spannungen zu bestimmen, wobei diese Kalibriersteuerung die ersten und die zweiten nichtratiome trischen Offset-Spannungen in dem ersten (100) und dem zwei ten (106) Speicherregister jeweils abspeichert;
- wobei die ersten und zweiten Subtrahierblöcke (94, 96) die abgespeicherten ersten und zweiten Offset-Werte während eines jeden Prozeßzyklus des ersten und des zweiten Analog/Digital- Wandlers subtrahiert.

10. Ratiometrischer Konverter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Ana log/Digital-Wandler (36, 38) als Delta-Sigma-Wandler ausgebildet ist.

11. Ratiometrischer Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturschal tung (78, 84) im digitalen Bereich arbeitet.

12. Ratiometrischer Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtratiometri schen Offset-Werte digitale Werte sind.

13. Ratiometrischer Konverter nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß

- ein Analog/Digital-Konverter (102) vorgesehen ist, der die digitalen Werte in der Speichereinrichtung (80, 86) in analo ge Werte umwandelt;
- wobei die Subtrahierschaltung (96) mit dem Eingang des Ana log/Digital-Wandlers (102) verbunden ist und im analogen Be reich arbeitet.

14. Verfahren zur Durchführung einer nichtratiometrischen Off set-Korrektur in einem Analog/Digital-Wandler (20), der eine ra tiometrische Operation an einem Eingangs-Meßsignal und einem Eingangs-Referenzsignal ausführt, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

- Empfangen eines Eingangs-Meßsignals und eines Eingangs-Refe renzsignals am Eingang des Analog/Digital-Wandlers, wobei das Eingangs-Meßsignal oder das Eingangs-Referenzsignal nichtra tiometrische Offsetspannungen am Eingang mit sich bringen;
- Durchführung einer ratiometrischen Operation damit;
- Erzeugen eines Ausgangssignals von dem Analog/Digital-Wand ler, welches proportional zu dem Eingangs-Meßsignal und umge kehrt proportional zu dem Eingangs-Referenzsignal im digita len Bereich ist;
- Abspeichern von nichtratiometrischen Offset-Werten, welche den mit dem Eingangs-Meßsignal bzw. dem Eingangs-Referenz signal verknüpften nichtratiometrischen Offset-Spannungen am Eingang entsprechen; und
- Subtraktion der abgespeicherten nichtratiometrischen Offset- Werte von dem Eingangs-Meßsignal bzw. dem Eingangs-Referenz signal während des Betriebs des Analog/Digital-Wandlers und vor der ratiometrischen Operation in dem Analog/Digital-Wand ler.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:

- Korrektur von Verstärkungsfehlern und ratiometrischen Offset- Spannungen nach der Ausführung der Korrektur für nichtratio metrische Offset-Spannungen in dem Ausgangssignal von dem Analog/Digital-Wandler.

16. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:

- Bestimmung der nichtratiometrischen Werte, welche den von dem Analog/Digital-Wandler (20) verarbeiteten, nichtratiometri schen Spannungen am Eingang entsprechen, so daß die Subtrak tion derart ausgeführt wird, daß die nichtratiometrischen Offset-Werte, die für jede nichtratiometrische Offset-Span nung am Eingang bestimmt werden, von dem Wert im digitalen Bereich davon während der Operation des Analog/Digital-Wand lers und vor der Durchführung der ratiometrischen Operation subtrahiert werden.