DE4405380A1 - Integrating analogue=to=digital converter e.g. for weighing appts. - Google Patents
Integrating analogue=to=digital converter e.g. for weighing appts.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen hochauflösenden, integrierenden Analogdigitalwandler für Meßsignale einer ohmschen Brücken schaltung von Kraftaufnehmern, insbesondere zur Verwendung in Waagen mit Dehnungsmeßstreifen-Kraftaufnehmern.The invention relates to a high-resolution, integrating Analog-digital converter for measurement signals of an ohmic bridge switching of force transducers, especially for use in Scales with strain gauge force transducers.
Überlicherweise werden bei solchen Schaltungen Eingangsverstär ker für die Differenzsignale der Meßbrückenschaltung, sogenann te Instrumentenverstärker verwendet. Hier sind insbesondere In strumentenverstärker bekannt, die aus zwei oder drei Opera tionsverstärkern aufgebaut sind, die am Ende ein wandlungsfähi ges, massebezogenes Meßsignal liefern. Solche Schaltungsanfor derungen verlangen, je höher die Anforderungen an die Genauig keit und Auflösung des Analogdigitalwandlers gestellt werden, um so besser aufeinander abgestimmte Widerstände, als Referenz widerstände, wobei die Abstimmung sowohl die absoluten Wider standswerte als auch die Temperaturkoeffizienten der Widerstände anbelangt.In such circuits, input amplifiers are usually used ker for the differential signals of the measuring bridge circuit, so-called te instrument amplifier used. Here in particular Instrument amplifiers known to consist of two or three Opera tion amplifiers are built, which in the end a versatile supply a total, mass-related measurement signal. Such circuit requirements changes, the higher the requirements for accuracy speed and resolution of the analog-digital converter are set, all the better matched resistors for reference resistances, the vote being both the absolute contradictions values as well as the temperature coefficients of the resistors concerned.
Hieraus ergeben sich relativ hohe Kosten, für die Anzahl der zu verwendenden Operationsverstärker sowie für die gut aufeinander abgestimmten bzw. kalibrierten Widerstände.This results in relatively high costs for the number of to using operational amplifiers as well as for the good on each other matched or calibrated resistors.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung eines Analogdigitalwandlers der eingangs beschriebenen Art vorzu schlagen, der bei verringertem Schaltungsaufwand eine zuver lässig hohe Auflösung erreicht.The object of the invention is a circuit arrangement of a Analog to digital converter of the type described in the introduction beat the one with reduced circuitry casually high resolution achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein In tegrator vorhanden ist, dessen erster Eingang wahlweise mit der positiven Speisespannung der Brückenschaltung, der negativen Speisespannung der Brückenschaltung und der Spannung des Meß signals der Meßbrückenschaltung verbindbar ist und dessen Aus gang alternierend ein Signal liefert, dessen Spannungswert vom Wert der negativen Speisespannung zum Wert der positiven Spei sespannung ansteigt und vom Wert der positiven Speisespannung zum Wert der negativen Speisespannung abfällt, daß ein Kompa rator vorhanden ist, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Integrators verbunden ist und dessen zweiter Ausgang synchron alternierend mit dem ansteigenden Ausgangssignal des Integra tors mit der positiven Speisespannung der Meßbrücke bzw. bei abfallendem Ausgangssignal des Integrators mit der negativen Speisespannung der Meßbrückenschaltung verbindbar ist, und daß der Komparator eine jeweils zum Beginn einer Einzelmessung ge startete Zeitmeßvorrichtung anhält, wenn der Spannungswert der Signale an seinem ersten und zweiten Eingang identisch werden.This object is achieved in that an In tegrator is available, the first input of which can be selected with the positive supply voltage of the bridge circuit, the negative Supply voltage of the bridge circuit and the voltage of the measurement Signals of the measuring bridge circuit is connectable and its off alternately provides a signal, the voltage value of which Value of the negative supply voltage to the value of the positive supply voltage increases and the value of the positive supply voltage drops to the value of the negative supply voltage that a compa rator is present, the first input of which is connected to the output of the Integrator is connected and its second output is synchronous alternating with the rising output signal of the Integra tors with the positive supply voltage of the measuring bridge or at falling output signal of the integrator with the negative Supply voltage of the measuring bridge circuit is connectable, and that the comparator ge at the beginning of a single measurement started timing device stops when the voltage value of the Signals at its first and second inputs will be identical.
Mit einer solchen Analogdigitalwandler-Schaltungsanordnung lassen sich sehr kleine Differenzsignale wie sie von den ge nannten Dehnungsmeßstreifen-Kraftaufnehmern erzeugt werden, kostengünstig mit einer Auflösung von über 20 Bit, entsprechend ca. 1 Mio Teilschritten, digitalisieren. Selbstverständlich eignet sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch zur Verarbeitung von Signalen von Temperatursensoren und vergleich baren Meßstellen. With such an analog-digital converter circuit arrangement can be very small difference signals as they from the ge strain gauge force transducers are generated, inexpensive with a resolution of over 20 bits, accordingly approx. 1 million partial steps, digitize. Of course the circuit arrangement according to the invention is also suitable for Processing of signals from temperature sensors and comparison measurable measuring points.
Die Auflösung und die Wandlungszeit können in weitem Bereich über die Wahl der Arbeitsfrequenz und die Qualität der verwen deten Bauteile auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden.The resolution and the conversion time can be in a wide range about the choice of the working frequency and the quality of the use components are tailored to the respective application.
Zusätzlich bietet die vorliegende erfindungsgemäße Schaltungs anordnung die Möglichkeit einen oder mehrere analoge Tempera tursensoren auf dem Wege einer Meßstellenumschaltung anzu schließen und zu digitalisieren, ohne daß hierbei der Schal tungsaufwand merklich vergrößert wird.In addition, the present circuit offers the present invention arrangement the possibility of one or more analog tempera to turn on the sensors on the way of a measuring point switch close and digitize without the scarf effort is significantly increased.
Grundlage des von dem erfindungsgemäßen Analogdigitalwandler durchgeführten Meßverfahrens ist die Abkehr von dem Absolutmeß verfahren hin zur Relativmessung.Basis of the analog-digital converter according to the invention performed measurement procedure is the departure from the absolute measurement procedure towards relative measurement.
Die kleinen Differenzsignale der Meßbrückenschaltung werden letztlich in digitale Meßwerte über eine Zeitmessung umgewan delt, und diese Meßwerte sind jederzeit überprüfbar und nachka librierbar, um so eine zu fordernde Temperatur- und Langzeit stabilität aufzuweisen.The small differential signals of the measuring bridge circuit are ultimately converted into digital measured values via a time measurement delt, and these measured values can be checked and checked at any time can be librated in order to achieve the required temperature and long-term to show stability.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Vorverstärker verwendet, der das Meßsignal der Meßbrücken schaltung um einen vorgegebenen Faktor verstärkt, bevor es am ersten Eingang des Integrators angelegt wird. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß le diglich noch ein Operationsverstärker zur Verstärkung des klei nen Differenzsignales der Meßbrückenschaltung notwendig ist.In a preferred embodiment of the invention, a Preamplifier used, the measuring signal of the measuring bridges circuit by a predetermined factor before it is on first input of the integrator is created. It shows up here Another advantage of the present invention is that le diglich still an operational amplifier to reinforce the small NEN differential signals of the measuring bridge circuit is necessary.
Um die Nachkalibrierung zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, daß auf den ersten Eingang des Integrators ein Kalibriersignal schaltbar ist.In order to enable the recalibration, that on the first input of the integrator a calibration signal is switchable.
Ferner kann zur Sicherstellung einer Temperaturstabilität der erhaltenen Meßwerte auf den ersten Eingang des Integrators ein weiteres, massebezogenes Meßsignal geschaltet werden, welches insbesondere von einem oder mehreren Temperatursensoren herrüh ren kann.Furthermore, to ensure temperature stability measured values obtained on the first input of the integrator another, mass-related measurement signal can be switched, which in particular from one or more temperature sensors can.
Dies eröffnet die Möglichkeit ohne merkliche Komplizierung der Schaltungsanordnung Temperatureffekte zu erfassen und rechne risch auszugleichen.This opens up the possibility without noticeable complication of the Circuit arrangement to record temperature effects and calculate balancing.
Teil der Erfindung ist auch eine neuartige Spannungsversor gungseinheit für den erfindungsgemäßen Analogdigitalwandler, welche aufgrund der besonderen Ausbildung der Analogdigital wandlerschaltung besonders einfach ausgestaltet werden kann.A new type of voltage supply is also part of the invention supply unit for the analog-digital converter according to the invention, which due to the special training of analog digital converter circuit can be designed particularly simple.
Erfindungsgemäß reicht für die Spannungsversorgungseinheit eine einzelne Versorgungsspannung von beispielweise +5 V aus. Aus dieser einzelnen Versorgungsspannung werden dann vorzugsweise mittels eines integrierten DC-DC-Wandlers eine negative und ei ne erste positive Versorgungsspannung für den Analogdigital wandlerschaltkreis bereitgestellt.According to the invention, one is sufficient for the voltage supply unit single supply voltage of, for example, +5 V. Out this individual supply voltage is then preferred by means of an integrated DC-DC converter a negative and egg ne first positive supply voltage for the analog digital converter circuit provided.
Vorzugsweise beträgt die negative Versorgungsspannung -1 bis -5 V und die erste positive Versorgungsspannung +8 bis +15 V. Diese beiden Versorgungsspannungen dürfen bis zu 1 V schwan ken, ohne daß sich diese Schwankung auf die Genauigkeit des Er gebnisses der erfindungsgemäßen Analogdigitalwandlung auswirkt. Allerdings sind schnelle Schwankungen der Versorgungs spannungen, beispielsweise mehr als 500 m V/min bei Meßraten des Analogwandlers von 10 Messungen/sec zu vermeiden.The negative supply voltage is preferably -1 to -5 V and the first positive supply voltage +8 to +15 V. These two supply voltages can swan up to 1 V. ken, without this fluctuation affecting the accuracy of the Er results of the analog-to-digital conversion according to the invention. However, there are rapid fluctuations in supply voltages, for example more than 500 m V / min at measuring rates of the analog converter of 10 measurements / sec.
Eine aufwendige Stabilisierung kann damit entfallen. Von der ersten positiven Versorgungsspannung läßt sich eine kleinere zweite positive Versorgungsspannung ableiten, welche über einen Spannungsregler vorzugsweise auf +5 V geregelt wird. This eliminates the need for expensive stabilization. Of the first positive supply voltage can be a smaller one derive a second positive supply voltage, which via a Voltage regulator is preferably regulated to +5 V.
Die Meßspannung Us für die Brückenschaltung läßt sich aus der einzelnen Versorgungsspannung, aus der ersten positiven Ver sorgungsspannung oder aus der zweiten positiven Versorgungs spannung ableiten und beträgt vorzugsweise +5 V.The measuring voltage Us for the bridge circuit can be found in the single supply voltage, from the first positive ver supply voltage or from the second positive supply derive voltage and is preferably +5 V.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im einzel nen:These and other advantages of the invention are set out below explained in more detail with reference to the drawing. It show in detail NEN:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Analogdigi talwandlers; Figure 1 is a block diagram of an analog digital talwandler invention.
Fig. 2 den Spannungsverlauf während der Meßzyklen am Ausgang eines Integrators in einer erfindungsgemäßen Analog digitalwandler-Schaltung; und2 shows the voltage profile during the measurement cycles at the output of an integrator according to the invention in a digitizer circuit. and
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Spannungs versorgung für den erfindungsgemäßen Analogdigital wandler. Fig. 3 is a block diagram of a voltage supply according to the invention for the analog-digital converter according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine Analogdigitalwandler-Meßschaltung mit sehr hoher Auflösung entsprechend der vorliegenden Erfindung, bei der eine aus den Widerständen 1, 2, 3 und 4 aufgebaute Meß brücke über die Leitungen 5 und 6 ein Meßsignal in Form eines kleinen Differenzsignales liefern. Die Meßbrücke bzw. Wägezelle ist an die positive Speisespannung 19 sowie an die negative Speisespannung GND, d. h. in diesem Falle Masse angeschlossen. Fig. 1 shows an analog-to-digital converter measuring circuit with very high resolution according to the present invention, in which a measuring bridge constructed from the resistors 1 , 2 , 3 and 4 provides a measuring signal in the form of a small differential signal via lines 5 and 6 . The measuring bridge or load cell is connected to the positive supply voltage 19 and to the negative supply voltage GND, ie in this case ground.
Das Differenzsignal über die Leitungen 5 und 6 wird auf einen Verstärker 10 in Form eines einzelnen Operationsverstärkers ge geben, dessen Ausgang über einen Rückkoppelungswiderstand 9 mit dem über Leitung 5 verbundenen Eingang rückgekoppelt ist.The differential signal via lines 5 and 6 is given to an amplifier 10 in the form of a single operational amplifier, the output of which is fed back via a feedback resistor 9 to the input connected via line 5 .
Über einen Meßstellenumschalter können die positive Speise spannung 19 (auch mit dem Symbol +Us bezeichnet), das am Aus gang 30 des Operationsverstärkers 10 anstehende verstärkte Meßsignal, ein Signal einer später zu beschreibenden Tempera turmeßstelle sowie die negative Speisespannung (hier die Masse 18) gegeben werden. Je nach Schalterstellung der Schalter 11, 12, 13 und 14 findet eine Messung unterschiedlicher Spannungen statt, wobei diese auf einen Eingang eines Integrators 21 gege ben werden. Der Integrator 21 wird über den Widerstand 29 mit dem zu integrierenden Signal beaufschlagt und gibt am Ausgang 27 ein entsprechendes Signal an einen ersten Eingang eines Kom parators 25 ab. Der Integrator 21 ist an seinem Ausgang 27 mit einem zum negativen Eingang führenden Kondensator 20 beschaltet.Via a measuring point switch, the positive supply voltage 19 (also denoted by the symbol + Us), the pending at the output 30 of the operational amplifier 10 amplified measurement signal, a signal of a temperature measurement point to be described later and the negative supply voltage (here the mass 18 ) become. Depending on the switch position of the switches 11 , 12 , 13 and 14 , different voltages are measured, these being applied to an input of an integrator 21 . The integrator 21 is acted upon by the resistor 29 with the signal to be integrated and outputs a corresponding signal at the output 27 to a first input of a comparator 25 . The integrator 21 is connected at its output 27 to a capacitor 20 leading to the negative input.
Der positive Eingang des Integrators ist mit der Meßsignallei tung 6 verbunden und kann wahlweise auch noch an die positive Versorgungsspannung über einen Widerstand 8 und einen Schalter 7 angeschlossen werden.The positive input of the integrator is connected to the Meßsignallei device 6 and can optionally also be connected to the positive supply voltage via a resistor 8 and a switch 7 .
Der zweite Eingang des Komparators 25 wird im Meßzyklus alter nierend über die Schalter 22 und 23 mit der positiven Versor gungsspannung +Us 19 bzw. mit Masse GND, 18 über den Verbin dungspunkt 24 beschaltet.The second input of the comparator 25 is alternating in the measuring cycle alternating via the switches 22 and 23 with the positive supply voltage + Us 19 or connected to ground GND, 18 via the connec tion point 24 .
Der Ausgang des Komparators 25 führt zu einem digitalen Zähler 31, der in Abhängigkeit des Signals am Ausgang 26 des Kompara tors 25 arbeitet.The output of the comparator 25 leads to a digital counter 31 , which operates as a function of the signal at the output 26 of the comparator 25 .
Zusätzlich zu dem Signal der Meßbrückenschaltung 1, 2, 3, 4 ist bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ein Temperatursensor-Eingang 28 vorgesehen, der einen Spannungsteiler mit dem festen Widerstand 32 und dem temperaturabhängigen Widerstand (Temperatursensor) 33 bildet, zwischen Masse und positiver Versorgungsspannung geschaltet ist und über die Leitung 28 ein Meßsignal über den Schalter 13 auf den ersten Eingang des Integrators 21 liefern kann. In addition to the signal of the measuring bridge circuit 1 , 2 , 3 , 4 , a temperature sensor input 28 is provided in the embodiment of the invention shown in FIG. 1, which forms a voltage divider with the fixed resistor 32 and the temperature-dependent resistor (temperature sensor) 33 , between Ground and positive supply voltage is connected and can deliver a measurement signal via line 28 via switch 13 to the first input of integrator 21 .
Die an dem variablen Widerstand 33 abfallende Spannung wird als
Indikator für die gemessene Temperatur verwendet. Die zuvor be
schriebene Schaltung arbeitet im Betrieb wie folgt:
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf das in Fig. 1 ge
zeigt Blockschaltbild. Nach dem Einschalten der Versorgungs
spannung (positive Versorgungsspannung 19, (+Us)), negative
Versorgungsspannung 18 (Masse oder GND) legt ein nicht
dargestellter Steuerbaustein durch das Schließen des
Analog-Schalters 22 den Fußpunkt 24 des Komparators 25 auf die
positive Speisespannung 19 der Wägezelle mit den Widerständen
1, 2, 3 und 4.The voltage drop across the variable resistor 33 is used as an indicator of the measured temperature. The circuit described above works in operation as follows:
The following description refers to the block diagram shown in FIG. 1. After switching on the supply voltage (positive supply voltage 19 , (+ Us)), negative supply voltage 18 (ground or GND), a control module (not shown) sets the base point 24 of the comparator 25 to the positive supply voltage 19 by closing the analog switch 22 Load cell with resistors 1 , 2 , 3 and 4 .
Der Eingang 16 des Integrators 10 wird auf die negative Speise spannung 18 der Meßbrückenschaltung gelegt und gleichzeitig der Digitalzähler 31 freigegeben. Der Digitalzähler 31 erhält Zähl impulse von einer nicht gezeigten Oszillatorschaltung. Die Spannung am Integratorausgang 27 läuft nach oben bis zum Schaltpunkt des Komparators, das heißt bis zur positiven Spei sespannung 19. Beim Erreichen dieser Spannung am Komparatorfuß punkt 24 wird der Komparatorausgang 26 umgeschaltet, wodurch der Zähler 31 gestoppt und gleichzeitig der Meßstellenum schalter 14 geöffnet wird.The input 16 of the integrator 10 is placed on the negative supply voltage 18 of the measuring bridge circuit and at the same time the digital counter 31 is released. The digital counter 31 receives counting pulses from an oscillator circuit, not shown. The voltage at the integrator output 27 runs up to the switching point of the comparator, that is to the positive supply voltage 19 . When this voltage is reached at the comparator base point 24 , the comparator output 26 is switched, whereby the counter 31 is stopped and at the same time the measuring point switch 14 is opened.
Der Digitalzähler 31 wird von der nicht gezeigten Steuerschal tung ausgelesen.The digital counter 31 is read by the control circuit, not shown.
Danach bleibt die Spannung am Integratorausgang 27 für wenige Mikrosekunden auf dem alten Wert, welcher als Startwert für weitere Messungen verwendet wird.The voltage at integrator output 27 then remains at the old value for a few microseconds, which is used as a starting value for further measurements.
Im nächsten Zyklus wird zu allererst durch das Öffnen des Analogschalters 22 und das Schließen des Analogschalters 23 der Fußpunkt 24 des Komparators 25 auf die negative Versorgungs spannung 18 der Wägezelle mit den Widerständen 1, 2, 3, 4 ge legt.In the next cycle, first of all, by opening the analog switch 22 and closing the analog switch 23, the base 24 of the comparator 25 is placed on the negative supply voltage 18 of the load cell with the resistors 1 , 2 , 3 , 4 .
Danach kann mit den Meßstellenumschaltern 11 und 12 wahlweise das verstärkte Meßsignal 30, die positive Speisespannung 19 oder bei zusätzlichem Schließen des Analogschalters 7 das Meß signal plus Prüfwert aufgeschaltet werden.Then with the measuring point switches 11 and 12 either the amplified measuring signal 30 , the positive supply voltage 19 or, if the analog switch 7 is additionally closed, the measuring signal plus test value can be applied.
Die Spannung am Integratorausgang 27 läuft nach unten bis zum Schaltpunkt des Komparators 25.The voltage at integrator output 27 runs down to the switching point of comparator 25 .
Bei Erreichen der Spannung am Komparatorfußpunkt 24 wird der Komparatorausgang 26 umgeschaltet, wodurch der Zähler 31 ge stoppt und von der Steuerschaltung ausgelesen wird. Gleichzei tig werden die Meßstellenumschalter 11 bzw. 12 geöffnet.When the voltage at the comparator base 24 is reached, the comparator output 26 is switched over, as a result of which the counter 31 stops and is read out by the control circuit. At the same time, the measuring point switches 11 and 12 are opened.
Der Integrator bleibt an seinem Ausgang für wenige Mikrose kunden wieder auf seinem alten Spannungswert, der auch hier wieder als Startwert für die nächste negative Speisespannungs- oder wahlweise Temperaturmessung durch Schließen des Analog schalters 13 verwendet wird. Die beschriebene Arbeitsweise wie derholt sich ständig und ergibt einen Verlauf der Ausgangs spannung des Integrators bzw. einer Eingangsspannung am ersten Eingang des Komparators wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.The integrator remains at its output for a few microseconds again at its old voltage value, which is also used here as the starting value for the next negative supply voltage or optional temperature measurement by closing the analog switch 13 . The method of operation described repeats itself continuously and gives a curve of the output voltage of the integrator or an input voltage at the first input of the comparator as shown in Fig. 2.
Die bei den Speisespannungsmessungen aus dem Zähler 31 ausgele senen Zählerstände werden mit dem Zählerstand der eigentlichen Meßwertmessung so verrechnet, daß der Einfluß von Speise spannungsschwankungen und der Einfluß von Temperaturänderungen auf die Schaltung kompensiert werden.The readings in the supply voltage measurements from the counter 31 are offset against the counter reading of the actual measured value measurement in such a way that the influence of supply voltage fluctuations and the influence of temperature changes on the circuit are compensated for.
Im folgenden folgt eine Herleitung der Gleichung zur Berechnung der entsprechenden Meßwerte, wobei folgende Abkürzungen verwen det werden:The following is a derivation of the equation for the calculation the corresponding measured values, using the following abbreviations be:
- Erklärung der Abkürzungen:- Explanation of abbreviations:
dUa: Änderung der Ausgangsspannung der Integrators.
Ue: Eingangsspannung des Integrators.
Ug: Bezugspotential (Masse, Ground).
Um: Meßspannung (bereits verstärkt).
dtm: Meßzeit des Integrators.
Us: Speisespannung der Meßbrücke gegenüber Masse
Uf: Spannung am Fußpunkt des Integrators gegenüber Masse.
Ut: Massebezogene Spannung des Temperatursensors.
ts: Meßzeit für Speisespannungsmessung.
tm: Meßzeit für Meßspannung.
tg: Meßzeit für Groundmessung (Ug-Uf).
tt: Meßzeit für Temperaturmessung.
Zs: Digitaler Zählerstand bei Speisespannungsmessung.
Zm: Digitaler Zählerstand des Meßwerts.
Zg: Digitaler Zählerstand bei Groundmessung.
Zt: Digitaler Zählerstand bei Temperaturmessung.
Z: Digitaler Zählerstand.
T: Temperatur.dUa: Change in the output voltage of the integrators.
Ue: input voltage of the integrator.
Ug: reference potential (mass, ground).
At: measuring voltage (already amplified).
dtm: measuring time of the integrator.
Us: supply voltage of the measuring bridge to ground
Uf: voltage at the base of the integrator against ground.
Ut: Mass-related voltage of the temperature sensor.
ts: Measuring time for supply voltage measurement.
tm: measuring time for measuring voltage.
tg: measurement time for ground measurement (Ug-Uf).
tt: measurement time for temperature measurement.
Zs: Digital counter reading for supply voltage measurement.
Zm: Digital counter reading of the measured value.
Zg: digital counter reading for ground measurement.
Zt: Digital counter reading for temperature measurement.
Z: Digital counter reading.
T: temperature.
Kb: Konstante des Biegekörpers.
Kt: Konstante des Temperatursensors.
E: Verstimmung der Widerstandsmeßbrücke.
fo: Oszillatorfrequenz.
- Herleitung der Formel für (nicht Massebezogenen)
Differenzspannungen
- Erste Grundformel (Integrator)Kb: constant of the bending body.
Kt: constant of the temperature sensor.
E: Detuning the resistance measuring bridge.
fo: oscillator frequency.
- Derivation of the formula for (non-mass-related) differential voltages
- First basic formula (integrator)
- Voreinstellungen für die Ermittlung des Meßwerts:
Ue = (-Um), dUa = (Us-Ug), dt = tm,- Default settings for determining the measured value:
Ue = (-Um), dUa = (Us-Ug), dt = tm,
für Ug = 0V ergibt sich:for Ug = 0V we get:
Voreinstellung für die Ermittlung der Speisespannung gegenüber der Fußpunktspannung:Default setting for determining the supply voltage compared the base voltage:
Ue = (Uf-Us), dUa = (Us-Ug), dt = ts,Ue = (Uf-Us), dUa = (Us-Ug), dt = ts,
Voreinstellung für die Ermittlung der Fußpunktspannung
gegenüber Ground:
für Ug = 0V ergibt sich:Default setting for determining the base point voltage compared to ground:
for Ug = 0V we get:
Ue = (Uf-Ug), dUa = (Ug-Us), dt = tg,Ue = (Uf-Ug), dUa = (Ug-Us), dt = tg,
für Ug = 0V ergibt sich:for Ug = 0V we get:
- Zweite Grundformel (Widerstandsmeßbrücke).- Second basic formula (resistance measuring bridge).
Um = (Us-Ug)*Kb*EUm = (Us-Ug) * Kb * E
für Ug = 0V ergibt sich:for Ug = 0V we get:
Um = Us * Kb * E (2)Um = Us * Kb * E (2)
- Dritte Grundformel (Digitalzähler).- Third basic formula (digital counter).
Z = t + f₀ (3)Z = t + f₀ (3)
- Erklärung der Herleitung:- Explanation of the derivation:
Beim Gleichsetzen der Gleichungen (1.3) und (1.2) ist zu sehen, daß zunächst der Einfluß der Spannung Uf am Fußpunkt 17 des Integrators herausfällt. Dieser Umstand ist deswegen so wichtig, weil die Fußpunktspannung 17 sowohl von der Speisespannung der Wägezelle als auch von der Belastung der Wägezelle (des Biegekörpers) abhängig ist. Mit der Gleichung (4) läßt sich die "Konstante" Ki berechnen. Mit dieser Ersatzgröße kann die Veränderung des Analog-Digital Wandlers zum Beispiel über Temperatur herausgerechnet werden. Wie das geschieht ist in Gleichung (5) zu sehen. Durch Einsetzen der Gleichung (2) in die Gleichung (5) wird erreicht, daß die Speisespannung Us herausfällt, mit der Folge, daß keine sehr temperaturstabile Speisung nötig ist, sondern es genügen kostengünstige Längsregler. Zusätzlich ist damit erreicht, daß die Meßspannung Um auf die mechanischen Größen Biegestabkonstante Kb und Verstimmung der Widerstandsmeßbrücke E zurückgeführt wird. Die dritte Grundformel gibt die Verknüpfung zwischen digitalen Zählerständen Z und den Zeiten t an. In der Formel (7) ist nur noch eine Größe nicht definiert. Es handelt sich dabei um die Konstante des Biegekörpers Kb. Diese Konstante wird während der Kalibrierung der fertigen Waage festgestellt und als diskreter Wert oder Verhältniszahl in einem Festwertspeicher abgelegt. Damit ist aus der Verstimmung der Meßbrücke der fertige Meßwert entstanden.When equating equations (1.3) and (1.2), it can be seen that the influence of the voltage Uf at the base point 17 of the integrator initially falls out. This fact is so important because the base voltage 17 is dependent both on the supply voltage of the load cell and on the load on the load cell (the bending body). The "constant" Ki can be calculated using equation (4). With this substitute size, the change in the analog-digital converter can be calculated out, for example, via temperature. How this happens can be seen in equation (5). By inserting equation (2) into equation (5) it is achieved that the supply voltage Us drops out, with the result that no very temperature-stable supply is necessary, but inexpensive series regulators are sufficient. In addition, it is achieved that the measuring voltage Um is reduced to the mechanical values of the bending rod constant Kb and detuning of the resistance measuring bridge E. The third basic formula specifies the link between digital counter readings Z and times t. Only one size is not defined in formula ( 7 ). It is the constant of the bending body Kb. This constant is determined during the calibration of the finished balance and is stored in a read-only memory as a discrete value or ratio. This results in the finished measured value from the detuning of the measuring bridge.
Die Temperaturmessungen am Biegekörper erlauben es die
einmal ermittelten temperaturabhängigen Fehler während des
Betriebes der Waage zu korrigieren.
- Herleitung der Formel für massebezogene SpannungenThe temperature measurements on the bending body allow the temperature-dependent errors once determined to be corrected during the operation of the balance.
- Derivation of the formula for mass-related voltages
Ue = (Uf-Ut), dUa = (Ug-Us), dt = tg,Ue = (Uf-Ut), dUa = (Ug-Us), dt = tg,
für Ug = OV ergibt sich:for Ug = OV we get:
- Vierte Grundformel (Temperatursensor).- Fourth basic formula (temperature sensor).
Der Prüfwert dient der Funktionsfehlererkennung. Er wird zyklisch aktiviert und wird identisch wie jeder normale Meßwert ermittelt. Er ist neben anderen Bedingungen ein wichtiger Baustein für die Zulassung der Schaltung und des Verfahrens als "Funktionsfehler erkennend". Die Funktionsfehlererkennung gestattet mit vorstehendem Verfahren die Ermittlung und Überprüfung der Verstärkung. The test value is used to detect malfunctions. He will cyclically activated and becomes identical to every normal one Measured value determined. He is one among other conditions important component for the approval of the circuit and the Procedure as "detecting malfunctions". The Malfunction detection allowed with the above procedure the determination and verification of the reinforcement.
Fig. 3 zeigt schließlich eine vereinfachte erfindungsgemäße Spannungsversorgung für den erfindungsgemäßen Analogdigital wandler, wobei mit einer eingangsseitigen einzelnen Spannung von vorzugsweise 5 V gearbeitet wird, welche auf einen DC-DC- Wandler 40 gegeben wird, welcher ausgangsseitig einen Massean schluß 42, einen Ausgangsanschluß für eine erste positive Ver sorgungsspannung 44 und einen Ausgangsanschluß für eine negati ve Versorgungsspannung 46 umfaßt. Die Spannungsbereiche an den einzelnen Anschlüssen liegen beim Anschluß für die positive Versorgungsspannung zwischen +8 und +15 V und beim Anschluß für die negative Versorgungsspannung bei -1 bis -5 V. Der minimale betragsmäßige Abstand zur Masse ist jeweils für die sichere Funktion des erfindungsgemäßen Analogdigitalwandlers wichtig, während der obenangegebene maximale Abstand der Versorgungs spannung zur Masse sich lediglich aufgrund der Spannungstole ranzen für die üblicherweise verwendeten Bauteile ergibt. Fig. 3 finally shows a simplified voltage supply according to the invention for the analog-digital converter according to the invention, wherein an input-side individual voltage of preferably 5 V is used, which is given to a DC-DC converter 40 , the output side of a ground 42 , an output connection for a first positive supply voltage Ver 44 and an output terminal for a negative supply voltage 46 comprises. The voltage ranges at the individual connections are between +8 and +15 V for the connection for the positive supply voltage and between -1 and -5 V for the connection for the negative supply voltage. The minimum absolute distance to ground is for the safe function of the analog-digital converter according to the invention important, while the above-mentioned maximum distance of the supply voltage to the ground results only from the voltage tolerances for the commonly used components.
Die erfindungsgemäße Spannungsversorgung für den erfindungsge mäßen Analogdigitalwandler leitet vorzugsweise die Versorgungs spannung von +5 V nicht direkt durch, sondern erzeugt abgelei tet von der ersten positiven Versorgungsspannung intern, über einen zusätzlichen Spannungsregler 48, eine 5 V Versorgungs spannung als zweite positive Versorgungsspannung.The voltage supply according to the invention for the analog-to-digital converter according to the invention preferably does not pass the supply voltage of +5 V directly, but instead generates internally derived from the first positive supply voltage, via an additional voltage regulator 48 , a 5 V supply voltage as the second positive supply voltage.
Auf diese Weise ist eine besonders störungsfreie Funktion des Analogdigitalwandlers gewährleistet, die insbesondere unabhän gig von Spannungsschwankungen der 5 V Versorgungsspannung, die eingangsseitig des DC-DC-Wandlers 40 anliegt, ist.In this way, a particularly trouble-free function of the analog-digital converter is ensured, which is in particular independent of voltage fluctuations of the 5 V supply voltage that is present on the input side of the DC-DC converter 40 .
Die negative und die erste positive Versorgungsspannung sowie die zweite positive Versorgungsspannung sind in Fig. 1 ein schließlich ihrer Zuführung zu den einzelnen Bauelementen der Schaltung nicht gezeichnet, um die Zeichnung übersichtlich zu halten. Die dort gezeigte Meßspannung Us wird von der zweiten positiven Versorgungsspannung gegen Masse abgeleitet und be trägt üblicherweise +5 V. Alternativ kann die Meßspannung auch von der eingangsseitigen Versorgungsspannung der Spannungsversorgungseinheit direkt abgeleitet werden.The negative and the first positive supply voltage as well as the second positive supply voltage are not shown in FIG. 1 including their supply to the individual components of the circuit in order to keep the drawing clear. The measuring voltage Us shown there is derived from the second positive supply voltage to ground and is usually +5 V. Alternatively, the measuring voltage can also be derived directly from the supply voltage of the voltage supply unit on the input side.
Claims (8)
ein Integrator (21) vorhanden ist, dessen erster Eingang wahlweise mit der positiven Speisespannung (19), der nega tiven Speisespannung (18) und der Spannung des Meßsignals (30) der Meßbrücke verbindbar ist;
und dessen Ausgang (27) alternierend ein Signal liefert, dessen Spannungswert vom Wert der negativen Speisespannung (Ug) zum Wert der positiven Speisespannung (Us) ansteigt und vom Wert der positiven Speisespannung (Us) zum Wert der negativen Speisespannung (Ug) abfällt;
daß ein Komparator (25) vorhanden ist, dessen erster Ein gang mit dem Ausgang (27) des Integrators (21) verbunden ist und dessen zweiter Ausgang (24) synchron alternierend mit dem ansteigenden Ausgangssignal des Integrators (21) mit der positiven Speisespannung (19) der Meßbrücke bzw. bei abfallendem Ausgangssignal (27) des Integrators (21) mit der negativen Speisespannung (18) der Meßbrücke ver bindbar ist, wobei der Komparator (25) eine jeweils zum Be ginn einer Einzelmessung gestartete Zeitmeßvorrichtung (31) stoppt, wenn der Spannungswert der Signale an seinem ersten und zweiten Eingang (27, 24) identisch werden. 1. High-resolution, integrating analog-digital converter for measurement signals of an ohmic bridge circuit, in particular for use in scales with strain gauges-Kraftauf participants, characterized in that
an integrator ( 21 ) is provided, the first input of which can optionally be connected to the positive supply voltage ( 19 ), the negative supply voltage ( 18 ) and the voltage of the measuring signal ( 30 ) of the measuring bridge;
and whose output ( 27 ) alternately delivers a signal whose voltage value increases from the value of the negative supply voltage (Ug) to the value of the positive supply voltage (Us) and falls from the value of the positive supply voltage (Us) to the value of the negative supply voltage (Ug);
that a comparator ( 25 ) is present, the first input of which is connected to the output ( 27 ) of the integrator ( 21 ) and the second output ( 24 ) of which alternates with the rising output signal of the integrator ( 21 ) with the positive supply voltage ( 19 ) the measuring bridge or when the output signal ( 27 ) of the integrator ( 21 ) drops to the negative supply voltage ( 18 ) of the measuring bridge, the comparator ( 25 ) stops a time measuring device ( 31 ) that starts at the start of an individual measurement when the voltage value of the signals at its first and second inputs ( 27 , 24 ) become identical.
ein Vorverstärker (10) vorhanden ist, der das Meßsignal der Meßbrücke um einen vorgegebenen Faktor verstärkt, bevor es am ersten Eingang des Integrators (21) angelegt wird.2. Analog-digital converter according to claim 1, characterized in that
a preamplifier ( 10 ) is present which amplifies the measuring signal of the measuring bridge by a predetermined factor before it is applied to the first input of the integrator ( 21 ).
auf den ersten Eingang des Integrators (21) ein Kalibrier signal schaltbar ist.3. analog-digital converter according to claim 1 or 2, characterized in that
a calibration signal can be switched to the first input of the integrator ( 21 ).
auf den ersten Eingang des Integrators (21) ein weiteres massebezogenes Meßsignal, insbesondere von einem Tempera tursensor (33), vorzugsweise einem temperaturabhängigen Wi derstand, schaltbar ist.4. Analog-digital converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that
on the first input of the integrator ( 21 ) a further mass-related measurement signal, in particular from a temperature sensor ( 33 ), preferably a temperature-dependent resistor, can be switched.
eine Spannungsversorgungseinheit vorhanden ist, welche ein gangsseitig mit einer einzelnen Versorgungsspannung beauf schlagbar ist und welche ausgangsseitig neben einem Masse potential (42) mindestens eine erste positive Versorgungs spannung (44) und eine negative Versorgungsspannung (46) bereitstellt.5. analog-digital converter according to one of the preceding and workman surface, characterized in that
there is a voltage supply unit which can be supplied with a single supply voltage on the output side and which on the output side provides at least a first positive supply voltage ( 44 ) and a negative supply voltage ( 46 ) in addition to a ground potential ( 42 ).
die erste positive Versorgungsspannung (44) +8 bis +15 V und die negative Versorgungsspannung (46) -1 bis -5 V be trägt.6. analog-digital converter according to claim 5, characterized in that
the first positive supply voltage ( 44 ) +8 to +15 V and the negative supply voltage ( 46 ) -1 to -5 V be.
die Spannungsversorgungseinheit einen DC-DC-Wandler (40) umfaßt, welcher das Massepotential (42) sowie die erste po sitive und die negative Versorgungsspannung (44, 40) vor zugsweise stabilisiert bereitstellt.7. analog-digital converter according to one of claims 5 to 6, characterized in that
the voltage supply unit comprises a DC-DC converter ( 40 ), which provides the ground potential ( 42 ) and the first po sitive and the negative supply voltage ( 44 , 40 ) before preferably stabilized.
die Spannungsversorgungseinheit eine zweite positive Ver sorgungsspannung, abgeleitet von der ersten positiven Ver sorgungsspannung (44), zur Verfügung stellt.8. analog-digital converter according to one of claims 5 to 7, characterized in that
the voltage supply unit provides a second positive supply voltage, derived from the first positive supply voltage ( 44 ).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19944405380 DE4405380A1 (en) | 1994-02-19 | 1994-02-19 | Integrating analogue=to=digital converter e.g. for weighing appts. |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4405380A1 true DE4405380A1 (en) | 1995-08-31 |
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ID=6510690
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| DE19944405380 Withdrawn DE4405380A1 (en) | 1994-02-19 | 1994-02-19 | Integrating analogue=to=digital converter e.g. for weighing appts. |
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| DE (1) | DE4405380A1 (en) |
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