DE8815055U1

DE8815055U1 - Aktives Tiefpaß-Filter zur Unterdrückung von Störsignalen in einer elektromechanischen Waage

Info

Publication number: DE8815055U1
Application number: DE8815055U
Authority: DE
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Instrumente AG
Priority date: 1988-02-05
Filing date: 1988-12-02
Publication date: 1989-06-08
Also published as: US4860839A; JPH0631385Y2; JPH01118331U; CH673529A5

Description

Uttmeber & Zimmermann" - &igr; - Rosental 7/ILAufg. -&lgr;&Pgr;&bgr;2 1988 Q.8000 Munched a A· UBa. «*^ww Mettler Instrumente AG, Greifensee (Schweiz)

Aktives Tiefpass-Filter zur Unterdrückung von Störsignalen in einer elektromechanischen Waage

Die Erfinduivj betrifft ein aktives Tiefpass-Filter zur Unterdrückung von Störsignalen, die in Form von Störwechselströmen dem von der Wägezelle einer elektromechanischen Waage abgegebenen und über eine Signalleitung «inem Analog-Üigital(A/D)-Wandler zugeführten Gleichstrom überlagert sind, insbesondere für hochauflösende Waagen, wobei IS die Störsignale am Signalausgang der Wägezelle aus der

Signalleitung ausgekoppelt, durch einen Inverter in ihrer Phase um 180° gedreht und am Signaleingang des A/D-Wandlers wieder in die Signalleitung eingekoppelt werden, und wobei zwischen den Auskopplungsknoten und den Einkopp-ZO lungsknoten ein ohmscher Widerstand in die Signalleitung eingeschaltet ist.

Die Unterdrückung der z.B. durch Erschütterungen der Waage

hervorgerufenen Störwechselströme ist notwendig, damit der

Ausstouerungsbereich des A/D-Wandlers durch das Nutzsignal

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(Messignal) voll ausgenutzt werden kann und Fehler bei der Auswertung des Nutzsignals durch Übersteuerung des A/D-Wandlers infolge von überlagerten Störsignalen vermieden werden. Eine Erweiterung des Aussteuerungsbereiches des A/D-Kandlers ist bei hohen Auflösungen mit grossem Aufwand verbunden und fällt hier ausser Betracht.

Bei einem bekannten aktiven Tiefpass-Filter dieser Art zur Glättung eines von Störsignalen überlagerten Gleichspannungs-Messignales erfolgt die Auskopplung der Störsignale direkt, d.h. galvanisch, und die Einkopplung der um 180° phasenverschobenen Störsignale kapazitiv übe- ein RC-Glied (DE-OS 3311831). Die kapazititve Ein- und Auskopplung der Störsignale ist an sich ebenfalls bekannt, (CH-PS 61*792).

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Die direkte Auskopplung der Störsignale ist bei einem durch den Spannungswert definierten Messignai unkritisch, hingegen würde sie im Falle eines durch den Stromwert definierten Messignals bei einer Gleichstromentnahme zu einer das Messergebnis verfälschenden Verminderung des Messignals führen. Um dies zu vermeiden, ist die kapazitive Auskopplung des Störsignals vorgeschlagen worden.

Bei der Einkopplung der up 180° phasenverschobenen Störsignale ist in den erwähnten bekannten aktiven Tiefpass-Filtern für den genannten Zweck die kapazitive Kopplung angewandt. Durch diese Massnahme lässt sich zwar erreichen, dass Drifteigenschaften eines den Inverter bildenden Operationsverstärkers keinen Einfluss auf den Messkreis haben; hingegen sind damit Problem«/ verbunden, deren Lösungen sich weniger gut optimieren lassen als Massnahmen zur Driftkompensation.

Dabei spielt die gewünschte Auflösung der Waage eine wesentliche Rolle. Je höher die Auflösung der Waage angesetzt wird, umso tiefer ist im allgemeinen die Grenzfre-

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quenz für das zu kompensierende Störsignal zu Wühlen, damit die Verarbeitung des Messignals im A/D-Wandler problemlos Verläuft· Dies bedingt jedoch die Verwendung eines Kopplungskondensators Von hoher Kapazität und/oder eines Inverters mit grossem Spannungshub am Signalausgang. Beide Massnahmen haben erhebliche Nachteile. Der geringere Isolationswiderstand eines Kondensators mit sehr hoher Kapazität kann zu Dri£tströmen führen, deren Einfluss auf das Messignal nicht mehr vernachlässigbar ist, d.h« dass die zur Vermeidung solcher Driftströme angewandte kapazitive Kopplung in ihrer Wirkung illusorisch werden kann. Ausserdem ist ein solcher Kondensator derart voluminös, dass er in miniaturisierten Schaltungen keinen Platz findet. Um die Nachteile eines grossen Kondensators in Grenzen zu halten, wäre ein Inverter mit grossem Spannungshub vorzusehen. Eine solche Massnahme ist jedoch nur durch eine Erhöhung der Speisespannung des Inverters zu verwirklichen und steht auch im Widerspruch zu dem Bestreben, die Speisespannung für alle Teile der Elektronik einer Waage auf

ZO gleichem Niveau zu halten und diese zudem unter das übliche Niveau herabzusetzen, um die Verlustleistung der Waage zu vermindern.

Erfolgt sowohl die Auskopplung als auch die Einkopplung des Störsignals über einen kapazitiven Pfad, so weist das aktive Filter zwei Kondensatoren auf, deren Kapazität den Grad der Störsignalunterdrückung mitbestimmen. Dieser Umstand ist insofern von Nachteil, als die verhältnismassig grossen Toleranzen der Kapazitätswerte es nicht erlauben, den Grad der mit dem aktiven Filter erreichten Störsignalunterdrückung genau vorauszubestimmen. In der Regel wird also das Messignal nach dem aktiven Filter eine Restwelligkeit aufweisen, die nur durch einen Abgleich jedes zum Einsatz kommenden aktiven Filters beseitigt werden kann. Ein solcher Abgleich ist aber aufwendig und kostspielig.

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Die Erfindung geht nun einen anderen Weg, Um die hier erwähnten Nachteile der bekannten aktiven Tiefpass-Filter im vorgesehenen Anwendungsbereich zu vermeiden* und zwar wird der Nachteil der direkten Einkopplung des phasenverschobenen Störsignals entgegen bestehender Bedenken bewusst in Kauf genommen, in der Erkenntnis, dass die Drifteigenschaften des aktiven Tiefpass-Filters und durch diese entstehende Fehler im Messignal besser und mit weniger Aufwand zu beherrschen sind als die nachteiligen Wirkungen, die mit den bekannten Lösungen zur Erreichung einer niedrigeren Grenzfrequenz verbunden sind.

In diesem Sinne besteht die Erfindung also darin, dass für die Störsignal-Einkopplung eine galvanische Kopplung vorgesehen ist.

Für die Auskopplung des Störsignals ist eine galvanische Kopplung ebenfalls möglich, wenn z.B. mit Hilfe eines In' pedanzwandlers dafür gesorgt ist, dass die Gleichstromentnähme in den für die Genauigkeit des Messignals «assgebenden Grenzen bleibt. Eine kapazitive Auskopplung ist jedoch in der Regel einfacher, indem der ohnehin vorhandene Kondensator des frequenzbestimmenden RC-Gliedes zugleich al* Kopplungkondensator dienen kann.

In beiden Fallen hat das erfindungsgemässe aktive Tiefpass-Filter den Vorteil, dass der Kondensator des als Hochpass wirkenden RC-Gliedes für die gewünschte Grenzfrequenz wesentlich kleiner dimensioniert werden kann als bei der kapazitiven Störsignal-Einkopplung, weil auf einem tieferen Strompegel gearbeitet werden kann, und dass der Spannungshub eines üblichen Inverters dabei auch mit reduzierter Speisespannung für die verzerrungsfreie Verarbeitung starker niederfrequenter Störsignalströme ausreicht. Der Grad der Störsignalunterdrückung ist überdies nur von den Widerstandswerten der im aktiven Filter vor-

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handenen ohmschen Widerstände abhängig^ die mit genügender Genauigkeit eingehalten werden können. Somit ist mit dem erfindgungsgemässen aktiven Tiefpass-Filter ohne nachträglichen Abgleich eine praktisch Vollständige Unterdrückung der dem Messignal überlagerten Störsignale und also ein von Erschütterungen der Waage unabhängigeres Messergebnis erreichbar.

Der Einfluss der Drifteigenschaften des aktiven Stromfil-

ters auf das Messignal lässt sich z.B. dadurch herabsetzen, dass für den Inverter des Stromfilters und die Eingangsstufe des A/D-Wandlers ein Paar Operationsverstärker mit gleichlaufender, einander entgegenwirkender Offset-Drift vorgesehen ist. Eine andere Lösung besteht darin, dass der Inverter durch einen Operationsverstärker gebildet ist, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Einkopplungsknoten verbunden ist. Damit lässt sich vermeiden, dass sich allfällige Drifteigenschaften des Operationsverstärkers in der Eingangsstufe des A/D-Wandlers im Inverter auswirken. Falls an die beiden Operationsverstärker stark unterschiedliche Anforderungen gestellt werden, ist dieser Lösung der Vorzug zu geben, um in der Wahl des den Inverter bildenden Operationsverstärkern, der eine möglichst geringe Offsetdrift haben soll, freie Hand zu haben. Im übrigen können die verbleibenden Driften dieser Operationsverstärker auch in bereits vorhandene Einrichtungen der Elektronik zur Temperaturkompensation anderer Organe mi teinbezogen werden.

In der Zeichnung ist ein Schaltungsbeispiel (Fig. 1) für das erfindungsgemässe aktive Tiefpass-Filter und eine Variante (Fig. 2) dazu dargestellt.

Gemäss Fig. 1 liefert die Wägezelle 1 einer elektromechanischen Waage als Messignal I einen Gleichstrom. Diesem ist ein Störsignal i in Form eines Wechselstromes überla-

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gert. Das Messignal I wird in bekannter Weise über eine Signalleitung 2 einem Analog-Digital (A/D)-Wandler 5 zugeführt* Das Störsignal i wird am Signalausgang der Wägezelle 1 aus der Signalleitung 2 ausgekoppelt, dutch einen

Inverter 4 in der Phase um 180° gedreht (*i) und am Si-

gnaleihgäng des A/D-Wandlers 3 wieder in die Signalleitung 2 eingekoppelt. Am Einkopplungsknoten EK kompensieren sich die Störsignale i und -&idiagr;, so dass nur das Messignal I zum A/D-Wandler 3 gelängt.

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Zwischen den Auskopplungknoten AK und den Einkoppiungsknoten EK ist ein ohmscher Widerstand RO in die Signalleitung 2 eingeschaltet, an dem eine den! Störsignal proportionale Spannung zur Steuerung des Inverters 4 abgenommen wird.

Auf die Grosse des Messignals I hat dieser Widerstand RO keinen Einfluss. Der Inverter 4 ist durch einen Operationsverstärker 5 gehildet, der Über einen ohmschen Widerstand R2 gegengekoppelt ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers ist in diesem Beispiel mit

Masse verbunden.

Die Auskopplung des Störsignals i erfolgt kapazitiv über den Kondensator C, der zusammen mit den zu diesem in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand Rl das £fequenzbestimmende Glied des aktiven Tiefpass-Filters bildet. Für r»ie Einkopplung des Störsignals -i ist eine galvanische Kopplung durch den ohmschen Widerstand R3 vorgesehen.

In Beispiel nach Fig. 1 kann für den Inverter 4 des aktiven Tiefpass-Filters und die Eingangsstufe 6 des A/D-Wandlers 3 ein Paar Operationsverstärker mit gleichlaufender, einander entgegenwirkender Offset-Drift vorgesehen sein.

Das Schaltungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 lediglich dadurch, dass der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 5 nicht

mit Masse, sondern über eine Leitung 7 mit dem Einkopplungsknoten EK verbunden ist. Eine am Eingang des A./D-Wandlers eventuell auftretende Offset-Drift wirkt sich in diesem Fall auf das Eingangs- und das Ausgangspotential des Inverters 4 gleichermassen aus, so dass am Widerstand R3 keine zusätzliche Spannung auftritt, die einen das Messignal I verfälschenden Strom zum Einkopplungsknoten EK zur Folge hätte.

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Claims

Schutzansprüche

1. Aktives Tiefpass-Filter zur Unterdrückung von Störsi-

gnalen, die in Form von Störwechselströmen dem von der Wägezelle einer elektromechanischen Waage abgegebenen und über eine Signalleitung einem Analog-Digit?!-Wandler zugeführten Gleichstrom überlagert sind, insbesondere für hochauflösende Waagen, wobei die Störsignale

(i) am Signalausgang der Wägezelle (1) aus der Signalleitung (2) ausgekoppelt, durch einen Inve-ter (4) in ihrer Phase um 180° gedreht und am Signaleingang des Analog-Digital-Wandlers (3) wieder in die Signalleitung (2) eingekoppelt werden, und wobei zwischen den

Auskopplungsknoten (AK) und den Einkopplungsknoten

(EK) ein ohmscher Widerstand (RO) in die Signalleitung (2) eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Störsignal-Einkopplung eine galvanische Kopplung vorgesehen ist.

2. Aktives Tiefpass-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Störsignal-Auskopplung eine kapazitive Kopplung vorgesehen ist.

3. Aktives Tiefpass-Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Auskopplung/knoten (AK) und den Signaleingang des Inverters (4) die Reihenschaltung eines Kondensators (C) und eines ohmschen Widerstandes (Rl) und zwischen den Signalausgang des Inverters und den Einkopplungsknoten (EK) ein ohmscher Widerstand (R3) geschaltet ist.

4. Aktives Tiefpass-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Inverter (4) des aktiven Filters und die Eingangsstufe (6) des Analog-Digital-Wandlers (3) ein Paar Operationsverstärker

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mit gleichlaufender, einander entgegenwirkender Offset-Drift vorgesehen ist.

5. Aktives Tiefpass-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (4) durch einen Operationsvertärksr (5) gebildet ist, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Einkopplungknoten (EK) verbunden ist.

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