DE4312697A1

DE4312697A1 - Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analogspannung

Info

Publication number: DE4312697A1
Application number: DE19934312697
Authority: DE
Inventors: Norbert Ing Grad Rolff; Randolf Dipl Ing Rolff
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 1994-10-27
Also published as: CN1095530A; WO1994024770A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analogspannung nach dem Ober begriff des Patentanspruchs 1.

Zur Wandlung einer analogen Spannung in einen Digital wert gibt es zahlreiche Verfahren. Ein Problem aller Verfahren ist der stark steigende Aufwand bei einer größeren Wortbreite. Z.B. bei dem Parallelumsetzungs verfahren wird bei einem N-Bit-Wandler das Eingangs signal mit n Referenzspannungen verglichen. Die Zahl der für den Vergleich erforderlichen Komparatoren steigt exponentiell mit der Wortbreite. Um den Quantisierungsfehler bei der Umsetzung einer Analog spannung in einen Digitalwert möglichst gering zu halten, werden aber A/D-Wandler mit einer großen Wort breite benötigt.

Zur Reduzierung des Aufwandes ist es bekannt, den A/D-Wandler zweistufig auszubilden. Ein 10-Bit-Umsetzer beispielsweise wird nach dem 2-Stufen-Verfahren dadurch realisiert, daß in einem ersten Schritt die obersten fünf Bit parallel umgewandelt werden. Das Ergebnis stellt den grob quantisierten Wert der analogen Ein gangsspannung dar. Mit einem D/A-Umsetzer wird der ge wonnene Digitalwert in eine Analogspannung zurückge wandelt, die von der Eingangsspannung subtrahiert wird. Die Differenzspannung wird dann mit einem zweiten A/D-Wandler-Kanal in einen fein quantisierten Digital wert digitalisiert. Um zwei A/D-Wandler mit demselben Eingangsspannungsbereich verwenden zu können, wird die Differenzspannung bei einem 2-stufigen 10-Bit-Umsetzer mit dem Faktor 32 verstärkt (Tietze Schenk; Halbleiter- Schaltungstechnik, 9. Aufl., Abschn. 23.8.2). An die Genauigkeit des D/A-Umsetzers sind bei der bekannten Schaltung relativ große Anforderungen zu stellen. Um setzer mit großer Genauigkeit sind aber nur mit hohem technischen Aufwand realisierbar und sind relativ teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor richtung zum Digitalisieren einer Analogspannung zu schaffen, die eine Umsetzung mit hoher Genauigkeit erlaubt und mit verhältnismäßig geringem Aufwand realisierbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht der Digital/Analog-Umsetzer aus einem einstellbaren Puls weitengenerator mit nachfolgendem Tiefpaßfilter, der mit Hilfe das grob quantisierten ersten Digitalwertes des ersten A/D-Wandler-Kanals eingestellt wird. Am Ausgang dem Tiefpaß-Filters liegt eine aus dem Digitalwert zurückgewandelte Analogspannung an, die der Eingangsspannung grob quantisiert entspricht. Die Differenz zur Eingangsspannung wird, ggf. verstärkt, dem zweiten A/D-Wandler-Kanal zugeführt und es wird ein zweiter Digitalwert, der auf den Eingang bezogen feiner quantisiert ist, gebildet. Aus den beiden Digitalwerten läßt sich ein genaues Gesamtergebnis errechnen. Der Pulsweitengenerator mit nachgeschaltetem Tiefpaß-Filter erlaubt eine Umsetzung mit hoher Genauigkeit. Der Vor teil der Vorrichtung liegt in einer sehr preiswerten, einfachen und genauen Analog/Digital-Umsetzung, da auf einen konventionellen D/A-Wandler verzichtet werden kann, an dessen Genauigkeit sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die Vorrichtung in einer Schaltung eingesetzt wird, die einen Mikrocomputer enthält. Denn ein A/D-Wandler mit mehreren Eingangskanälen und ein Pulsweitengenerator sind in einem geeigneten Mikrocomputer bereits ent halten.

Für die Umsetzung der analogen Eingangsspannung und der Umsetzung der Differenzspannung am Ausgang des Dif ferenzverstärkers können zwei separate A/D-Wandler Ver wendung finden. Um den schaltungstechnischen Aufwand möglichst gering zu halten, ist es aber auch möglich, anstelle von zwei separaten Wandlern, einen A/D-Wandler einzusetzen, dem ein Multiplexer vorgeschaltet ist. Das analoge Eingangssignal und die Differenzspannung werden dann abwechselnd an den A/D-Wandler gelegt.

Vorteilhafterweise ist der Differenzverstärker ein als Umkehrverstärker beschalteter Operationsverstärker. Zum Abgleich der Offset-Spannung ist zweckmäßigerweise eine Schalteinrichtung vorgesehen, die den invertierenden Eingang des Umkehrverstärkers bzw. den Gesamteingang auf Masse-Potential legen kann. Falls ein unipolarer A/D-Wandler Verwendung findet, wird der Pulsweiten generator für den Offset-Abgleich so eingestellt, daß an dem Ausgang des Tiefpaß-Filters bzw. dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers eine kleine positive Spannung liegt, deren Wert aber größer als die Offset-Spannung ist. Am Ausgang des Operations verstärkers liegt dann unabhängig von dem Vorzeichen der Offset-Spannung immer eine positive Spannung an. Die Offset-Spannung kann dann aus der sich am Ausgang des Operationsverstärkers einstellenden Spannung mit Hilfe des zweiten A/D-Wandler-Kanals ermittelt, digitalisiert und beim Gesamtergebnis herausgerechnet werden.

Für den Fall, daß der Differenzverstärker ein als nicht-invertierender Verstärker beschalteter Operationsverstärker ist, kann zum Offset-Abgleich eine Schalteinrichtung vorgesehen sein, die den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers bzw. den Gesamteingang an eine Referenzspannung legen kann, so daß der A/D-Wandler im linearen Bereich arbeitet. Der Pulsweitengenerator wird für den Offset-Abgleich dann so eingestellt, daß am Ausgang des Tiefpaß-Filters eine sehr kleine Spannung liegt.

Bei Wahl einer geeigneten Referenzspannung läßt sich auch ein Endwertabgleich durchführen. Als invertieren der bzw. nichtinvertierender Differenzverstärker kann man jeweils auch eine Schaltungsanordnung mit mehreren Verstärkerelementen verwenden.

Da sich ein idealer Tiefpaß technisch nicht realisieren läßt, weist die analoge Spannung am Ausgang des Tief paß-Filters eine Welligkeit auf. Deshalb kann man die am Ausgang des Differenzverstärkers anliegende Spannung mehrmals abtasten und aus den Abtastwerten ein Mittel wert für die A/D-Wandlung bilden. Mit der Mittelwert bildung lassen sich weiterhin Meßungenauigkeiten auf grund von Spannungsschwankungen des Eingangssignals verringern.

Die Spannung wird vorteilhafterweise synchron zu dem puls-weiten-modulierten Signal des Pulsweitengenerators abgetastet. Aus mindestens zwei um die Länge einer halben Periode des PWM-Signals zueinander zeitver setzten Abtastwerten kann dann ein Mittelwert gebildet werden, der dem Ausgangssignal eines idealen Tiefpaß- Filters weitgehend entspricht. Das Tiefpaß-Filter kann auch ganz oder teilweise im Differenzverstärker integriert und/oder ihm nachgeschaltet sein.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun gen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analogspannung mit einem als Umkehrverstärker beschalteten Operations verstärker,

Fig. 2 den Spannungsverlauf des PWM-Signals und des Signals am Ausgang des Tiefpaß-Filters und

Fig. 3 ein Schaltbild der Vorrichtung zum Digitalisie ren einer Analogspannung mit einem als nicht invertierender Verstärker beschalteten Operationsverstärker.

Die Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analogspannung weist einen 10-Bit Analog/Digital-Wandler 1 mit einem vorgeschalteten Multiplexer 3 auf. Der erste Eingang 5 des Multiplexers 3 ist über einen Spannungsfolger 7 mit dem Ausgang 9 einer als Multiplexer ausgebildeten Schalteinrichtung 11 verbunden. An dem einen Eingang 13 der Schalteinrichtung 11 liegt die in einen Digitalwert umzusetzende analoge Eingangsspannung U_e an, während der andere Eingang 15 auf Masse-Potenial liegt. Die Umschaltung der beiden Signaleingänge 13, 15 erfolgt über die Steuerleitung 17. Die Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analogspannung weist ferner einen einstellbaren Pulsweitengenerator 18 auf, der mit dem A/D-Wandler 1, dem Multiplexer 5 und der Recheneinheit 6 Bestandteil eines Mikrocomputers 20 sind. Der Ausgang 22 des einstellbaren Pulsweitengenerators 18 ist mit dem Signaleingang 24 eines elektronischen Schalt elements 26 verbunden. Das elektronische Schaltelement 26 ist derart beschaffen, daß an seinem Signalausgang 28 eine Referenzspannung V_ref liegt, wenn die am Aus gang des Pulsweitengenerators 18 liegende Spannung logisch "1" ist und der Signalausgang auf Masse- Potential liegt, wenn die Spannung am Ausgang des Puls weitengenerators logisch "0" ist. Der Ausgang 28 des elektronischen Schaltelements ist über einen Tiefpaß- Filter 30 mit dem einen Eingang 32 eines Differenz verstärkers 34 verbunden, dessen anderer Eingang 37 mit dem Ausgang des Spannungsfolgers 7 verbunden ist. Der Differenzverstärkers 34 besteht aus einem als Umkehr verstärker beschalteten Operationsverstärker 36 mit dem Widerstand R₁ im Eingangszweig und dem Rückkopplungs widerstand R₂ Der durch die Widerstände R₁, R₂ vor gegebene Verstärkungsfaktor des invertierenden Ver stärkers beträgt 32. Der Ausgang 38 des invertierenden Verstärkers ist mit dem zweiten Signaleingang 40 des im Mikrocomputer 20 enthaltenen Multiplexers 3 verbunden. Der Mikrocomputer 20 enthält ferner eine in Fig. 1 nicht dargestellte Steuer- und Recheneinheit, die unter anderem auch den Multiplexer 11 über die Leitung 17 steuern kann.

Nachfolgend wird die Funktion der Vorrichtung be schrieben. Die in einen Digitalwert umzuwandelnde analoge Eingangsspannung U_e wird in dem A/D-Wandler 2 in einen grob quantisierten Digitalwert umgesetzt. Die Recheneinheit 6 stellt den Pulsweitengenerator auf diesen grob quantisierten Digitalwert ein, so daß am Ausgang des Tiefpaß-Filters 30 eine der Eingangs spannung entsprechende, jedoch grob quantisierte, analoge Spannung anliegt. Der Differenzverstärker 34 bildet die Differenz zwischen der analogen Eingangs spannung U_e und der Spannung am Ausgang des Tiefpaß- Filters. Die resultierende Differenzspannung am Ausgang 38 des Differenzverstärker 34 wird in einem zweiten Arbeitstakt in dem A/D-Wandler 2 erneut digitalisiert. In der Recheneinheit 6 kann dann aus dem ersten grob quantisierten Digitalwert und dem zweiten fein quantisierten Digitalwert der exakte Digitalwert ge bildet werden, der der analogen Eingangsspannung ent spricht.

Zum Abgleich der Offset-Spannung wird an die Steuer leitung 17 der Schalteinrichtung 11 ein Steuersignal gelegt, so daß der Eingang 37 des Umkehrverstärkers 34 bis auf Offsetfehler auf Massepotential liegt. Der Pulsweitengenerator 18 wird von der Steuereinheit im Mikrocomputer so eingestellt, daß am Ausgang des Tief paß-Filters 30 eine kleine positive Spannung liegt. Sofern die positive Soll-Spannung größer als die Offset-Spannung ist, kann die Offset-Spannung unab hängig von ihrer Polarität aus der bekannten vor gegebenen Soll-Spannung am Ausgang des Tiefpaß-Filters 30 und der am Ausgang 38 des Differenzverstärkers 34 sich einstellenden Spannung ermittelt werden und von der Recheneinheit berücksichtigt werden.

Zur Erhöhung der Genauigkeit des Umsetzers kann die am Ausgang des Differenzverstärkers 34 anliegende Dif ferenzspannung mehrmals abgetastet und aus den Abtast werten ein Mittelwert gebildet werden. Damit lassen sich Fehler reduzieren, die auf Spannungsschwankungen zurückzuführen sind.

Ungenauigkeiten können sich aber auch daraus ergeben, daß der Tiefpaß-Filter 30 kein ideales Tiefpaß- Verhalten hat. An dem Ausgang des Tiefpaß-Filters 30 und somit auch am Ausgang 38 des Differenzverstärkers 34 liegt daher in der Praxis keine konstante Gleich spannung, sondern eine Gleichspannung 42 mit über lagerter Sinusspannung 44, deren Frequenz der Frequenz des PWM-Signals 46 entspricht. Der Verlauf des PWM- Signals 46 und der Spannung 44 am Ausgang 38 des Dif ferenzverstärkers 34 sind in Fig. 2 dargestellt.

Vorteilhafterweise erfolgt die Abtastung des analogen Signals 44 synchron zum PWM-Signal 46. Aus zwei um die Länge einer halben Periode T/2 des PWM-Signals 46 zu einander zeitversetzten Abtastwerten 48,50 wird in der Recheneinheit 6 ein Mittelwert gebildet, der der idealen Gleichspannung 42 weitgehend entspricht.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vor richtung zum Digitalisieren einer Analogspannung. Die Vorrichtung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Vor richtung nach Fig. 1 durch den nicht-invertierenden Verstärker 34′. Ferner liegt an dem zweiten Eingang 15 der im Signaleingang angeordneten Schalteinrichtung 11 eine Referenzspannungsquelle 52 mit einer positiven Referenzspannung U_ref. Zum Offset-Abgleich wird an die Steuerleitung 17 der Schalteinrichtung 11 ein Steuer signal gelegt, so daß die Referenzspannung U_ref an dem Eingang 37′ des Operationsverstärkers 36′ liegt, und der Pulsweitengenerator 18 wird so eingestellt, daß die Spannung am Ausgang des Tiefpaß-Filters 30 sehr klein ist. Die Offset-Spannung kann dann aus der Spannung am Ausgang des Differenzverstärkers ermittelt werden. Wegen des hochohmigen Eingangs des nicht-invertierenden Verstärkers kann bei diesem Ausführungsbeispiel auf den Spannungsfolger im Signaleingang verzichtet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Digitalisieren einer Analog spannung mit

- einem ersten Analog/Digital-Wandler-Kanal (5, 1) zur Umsetzung der analogen Eingangsspannung (U_e) in einen ersten gröber quantisierten Digitalwert,
- einem Digital/Analog-Umsetzer (4), der den ersten Digitalwert in eine Analogspannung zu rückwandelt, die im wesentlichen der Eingangs spannung (U_e) entspricht,
- einem Differenzverstärker (34, 34′), der die Differenz aus der analogen Eingangsspannung (U_e) und der zurückgewandelten Analogspannung bildet und ggf. verstärkt,
- einem zweiten Analog/Digital-Wandler-Kanal (40, 1) zur Umsetzung der an dem Ausgang (38) des Differenzverstärkers (34) anliegenden Differenzspannung in einen zweiten feiner quantisierten Digitalwert, und
- einer Recheneinheit (6), die aus den beiden Digitalwerten ein digitales Gesamtergebnis mit erhöhter Genauigkeit bildet,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Digital/Analog-Umsetzer (4) aus einem Puls weitengenerator (18) mit nachfolgendem Tiefpaß-Filter (30) besteht, wobei der Puls weitengenerator (18) ein dem ersten Digitalwert entsprechendes puls-weiten-moduliertes Signal liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste und zweite Analog/Digital- Wandler-Kanal (2) durch einen einzigen Analog/Di gital-Wandler (1) mit vorgeschaltetem Multiplexer (3) gebildet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Differenzverstärker (34) ein als Umkehrverstärker beschalteter Operations verstärker (36) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (34′) ein als nicht-invertierender Verstärker be schalteter Operationsverstärker (36′) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ge kennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (11), durch die der Eingang (8, 37′) auf Masse-Potential legbar ist, um den Offset-Fehler anhand des mit dem zweiten Analog/Digital-Wandler-Kanals gemes senen Signals und der Stellung des Pulsweitengene rators zu bestimmen und in der Recheneinheit (6) zu kompensieren.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge kennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (11, 11′), durch die der Eingang (8, 37′) an eine Referenzspannung (U_ref) legbar ist, um den Offset- Fehler und/oder Endwertfehler anhand des mit dem zweiten Analog/Digital-Wandler-Kanals gemessenen Signals und der Stellung des Pulsweitengenerators zu bestimmen und in der Recheneinheit (6) zu kom pensieren.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang (38) des Differenzverstärkers (34, 34′) anliegende Dif ferenzspannung mehrmals abgetastet und aus den Abtastwerten ein Mittelwert für die Analog/Digital-Umsetzung gebildet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Analog/Digital- Umsetzung der Differenzspannung synchron zu dem puls-weiten-modulierten Signal des Pulsweiten generators (18) erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß das Tiefpaß-Filter (30) ganz oder teilweise im Differenzverstärker (34, 34′) integriert ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß der Pulsweitengenerator (18) und/oder der Multiplexer (3) und/oder der Analog/Digital-Wandler (1) Bestandteil eines Mikrocomputers (20) sind.