-
-
Verfahren zur Fehlerkorrektur bei integrierenden Analog-
-
Digital-Wandlern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerkorrektur
bei integrierenden Analog-Digital-Wandlern.
-
In Digital-Voltmetern enthaltene Analog-Digital-Wandler, arbeiten
heute fast ausschließlich mit einer von verschiedenen Integrationsmethoden. Diese
haben den Vorteil, daß die Integrationszeitkonstante nicht in das Meßergebnis eingeht
und damit auch keine Fehler verursachen kann, wenn sie nur während eines Umsetzzyklus
konstant bleibt. Ferner werden von der Netzfrequenz herrührende Störspannungen dadurch
eliminiert, daß die Umsetzzeit ein ganzzahliges Vielfaches der Netzperiode beträgt.
-
Es bleiben jedoch nach wie vor Fehlerquellen, so z. B.
-
die Offset-Spannungen, die endlichen Leerlaufverstärkungen eines Integrators,
eines Komparators und der Verstärkerstufen sowie die begrenzte Geschwindigkeit des
Komparators. Von diesen Fehlern kann die Offset-Spannung mit Hilfe eines sogenannten
Auto-Zero-Zyklus
kompensiert werden, bei dem ein Kondensator in
einer Rückkoppelschleife zwischen einzelne Umsetzzyklen auf die Offset-Spannung
aufgeladen wird. In einem anschließenden Umsetzzyklus kann dann die Offset-Spannung
von der zu messenden Spannung abgezogen werden. Die anderen noch möglichen Fehler
werden durch diese Maßnahme jedoch nicht behoben bzw. erfordern ihre Berücksichtigung,
die Verwendung von Präzisionsbauteilen und langwierige Abgleichs- und Kalibriervorgänge.
Zudem sind solche Bauteile durch Alterung und Temperatureinflüsse Veränderungen
unterworfen.
-
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das
alle Fehler gleichzeitig berUcksichtigt und auch zeitlichen Veränderungen der Fehler
folgt.
-
Bei einem eingangs genannten Verfahren wird diese Aufgabe gemäß der
Erfindung dadurch gelöst, daß in drei Schritten je eine Umwandlung einer an den
Eingang des Analog-Digital-1fandlers gelegten ersten, zweiten und dritten analogen
Referenzspannung, von denen mindestens zwei von Null verschieden und unterschiedlicher
Polarität sind, in Digitalwerte erfolgt, und- unter Zwischenspeicherung der Digitalwerte,
aus vorgegebenen Nennwerten der drei Referenzspannungen und den Digitalwerten in
einem Rechner digitale Fehlerwerte errechnet werden, von denen mindestens einer
unter Verwendung des Rechners zur Korrektur des digitalen Umwandlungsergebnisses
einer dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers zugefÜhrten analogen Meßspannung dient.
-
Mit dem neuen Verfahren wird also nicht versucht, die analogen Fehlereinflüsse
auf der Analogseite zu kompensieren, man läßt diese Fehler vielmehr zu. Ihr Wert
wird Jedoch laufend durch Korrekturumwandlung bekannter analoger Referenzwerte ermittelt
und anschließend rechnerisch, d. h. auf der digitalen Seite, mit dem Meßwert
zusammen
verarbeitet. Hierdurch ergibt sich eine Berücksichtigung aller obengenannter Fehler,
auch der zeitlich veränderlichen Fehler, sofern ihre Änderungsgeschwindigkeiten
nicht Bruchteil eines Umsetzzyklus betragen. Dies ist jedoch bei alterungs- und
temperaturbedingten Fehleränderungen nicht zu befürchten. Für die Schaltung können
billige Standard-Bauelemente in einem einfachen Schaltungsaufbau verwendet werden.
-
Mit Vorteil wird als Rechner ein Mikroprozessor verwendet.
-
Die erste Deferenzspannung kann durch Kurzschließen der Eingangsklemmen
erzeugt werden.
-
Arbeitet der in Frage stehende Analog-Digital-Wandler nach dem sogenannten
Dual-Slope-Verfahren, so ist es zweckmäßig, als zweite und dritte Referenzspannurg
die Referenzspannungen für die Rückintegration dieses Verfahrens zu verwenden.
-
Die Erfindung wird an drei Figuren erläutert.
-
Figur 1 stellt einen für einen Analog-Digital-Wandler nach dem Dual-Slope-Verfahren
benötigten Integrator dar.
-
In Figur 2 ist in einem Zeitspannungsdiagramm der Verlauf der Ausgangsspannung
des Integrators 1 nach Figur 1 dargestellt.
-
Figur 3 stellt einen erweiterten Integrator eines nach dem Dual-Slope-Verfahren
arbeitenden Analog-Digital-Wandlers dar.
-
Nach Figur 1 besteht ein Integrator für einen Analog-Digital-Wandler
nach dem Dual-Slope-Prinzip aus folgenden Elementen: Im RUckkopplungszweig eines
Verstärkers I liegt ein Kondensator C. Eine Eingangsklemme des Verstärkers I,
an
welcher die Rückkopplungsschleife endet, liegt iiber einen Widerstand R an einem
Umschalter S, der wahlweise mit zwei Klemmen verbunden werden kann. An der einen
Klemme liegt eine negative Referenzspannung Uref, an der anderen eine Neßspannung
us. Am Ausgang des Verstärkers I ist eine Spannung uc zu entnehmen, die einem nicht
dargestellten Komparator zugeführt wird. Der Komparator vergleicht die Integrationsspannung
uc mit einer Schwelle, deren Unter- bzw. Überschreiten einen Umsetzzyklus beendet.
-
Nach Figur 2 steigt die Ausgangsspannung uc des Integrators I vom
Zeitpunkt t = 0 linear mit der Zeit an und erreicht nach einer vorgegebenen Zeit
t1 den Wert uc1. Dieser Wert ist proportional einer zu messenden Spannung u5 an
einer der Klemmen, die der Schalter S nach Figur 1 mit dem Eingang des Verstärkers
I verbindet. Wird nun der Schalter so gelegt, daß an dem Eingang des Integrators
eine der Spannung u5 entgegengesetzt gepolte Referenzspannung drei liegt, so fällt
die Integrationsspannung uc wieder. Der Nulldurchgang der Integrationsspannung uc
wird durch den Komparator angezeigt, die zu diesem Zeitpunkt gemessene Zeit t2 ist
proportional der unbekannten Spannung u5.
-
In der Realität sind die oben vorausgesetzten idealisierten Bedingungen
nicht erfüllt. Zu welchen Folgen dies führt und wie diesen Folgen abgeholfen werden
kann, wird anhand der Figur 3 gezeigt. Der Hauptbestandteil der Figur 3 ist wieder
die Integrationsschaltung nach Figur 1, die aus dem Verstärker I, dem Kondensator
C in einem Rückkopplungszweig und dem Widerstand R besteht. Der Widerstand R liegt
zwischen dem Eingang des Verstärkers I und dem Ausgang eines Verstärkers V1 mit
dem Verstärkungsfaktor K1. Die Eingangsspannung des Verstärkers V1 wird mit zea
bezeichnet. Sie liegt an der Eingangsklemme E
und ist abhängig von
der Stellung von vier Schaltern S1 ... S4. Der Schalter S1 verbindet die Singangsklemme
E mit Nasse. Die Schalter S2 und S3 verbinden die Eingangsklemme E wahlweise mit
Klemmen, von denen eine eine positive Referenzspannung up, eine andere eine negative
Referenzspannung -un und eine dritte eine umzuwandelnde Meßspannung u5 führt. Am
Ausgang des Verstärkers I liegt der Eingang eines dritten Verstärkers V2 mit dem
Verstärkungsfaktor K2 und der Ausgangsklemme A, an welcher der nicht dargestellte
Komparator angeschlossen wird. Die Klemme A führt die Spannung u.
-
Der Anfang der Integration einer Eingangs spannung durch den Integrator
beginnt nun nicht, wie idealisiert auf dem Diagramm der Figur 2 gezeigt ist, bei
der Spannung "O", sondern bei irgendeiner Spannung, die sich aus den Offset-Spannungen
und Verstärkungsfaktoren der Verstärker V1 und V2 des Integrators nach Figur 3 zusammensetzt.
Ferner ist die Steilheit des Spannungsanstiegs nicht allein von der am Eingang E
des Verstärkers V1 anliegenden Spannung abhängig, weil sich zu dieser Spannung die
Offset-Spannungen addieren. Schließlich spricht auch der am Ausgang A angeschaltete
Komparator nicht genau beim Nulldurchgang der integrierten Spannung an, weil der
Komparator auch eine Offset-Spannung und zum andern eine zeitliche Verzögerung hat,
die abhängig von der Richtung des Nulldurchganges der Integrationsspannung ist.
-
An der Schaltung nach Figur 3 kann folgende Gleichung abgeleitet werden
t1 (e1 + x) + t2 (e2 + x) = K (u1 - U2) (1) Hierbei ist u1 die am Ausgang A vorhandene
Anfangsspannung, die sich durch eine in der Figur 2 nicht dargestellte Rilckkopplung
vom Ausgang auf den Eingang des Integrators während einer Umsetzpause einstellt.
Die
Spannung u2 ist diejenige Spannung am Ausgang A, bei der der
Komparator wirklich kippt. Die Spannungen e1 und e2 liegen am Eingang E während
der Zeiten t1 bzw. t2 an.
-
Die z. T. mit den Verstärkungsfaktoren gewichteten Offset-Spannungen
werden durch x ausgedrückt. K bedeutet einen konstanten Faktor, der sich aus den
Verstärkungsfaktoren K1 und K2 sowie aus der Integrationszeitkonstanten RC zusammensetzt.
-
Zum Zeitpunkt t = 0 wird nun an den Eingang E die im allgemeinen unbekannte
Spannung e1 angelegt. Nach Ablauf der Zeit t1 stellt der Komparator das Vorzeichen
der Ausgangsspannung u fest und schaltet über einen der Schalter S3 bzw. S4 eine
entgegengesetzte integrierende Referenzspannung up bzw. -un zu, so daß sich die
Ausgangsspannung u wieder gegen Null verändert. Auch wenn der Komparator keine Offset-Spannung
hat, wird er erst einige Zeit nach dem Nulldurchgang schalten, weshalb die Spannung
u2 unterschiedlich ist, je nach positivem oder negativem Sulldurchgang. Es wird
deshalb zwischen den Ausgangsspannungen u2p und u2n zu unterscheiden sein.
-
Zur ersten Korrekturumwandlung wird an den Eingang E über den Schalter
S1 eine Referenzspannung vom Wert O Volt gelegt. Der Anstieg und die für die Rückintegration
auszuwählende Spannung wird dabei allein von den Offset-Spannungen bestimmt. Durch
Einsetzen der entsprechenden Größen in die Gleichung (1) werden dann folgende beiden
Gleichungen erhalten t1 (o + x) + t2 (-un + x) = K (u1 - u2p) t1 (° + x) + t2 (up
+ x) = K (u1 - U2n)
Zur Vereinfachung wird gesetzt K (u1 - u2p)
= Yp K (u1 - u2n) = yn Damit erhält man die Gleichungen t1x + t2 (-un + x) = Yp
(2a) und t1x + t2 (up + x) = Yn (2b) Für die zweite Korrekturumsetzung wird die
positive Referenzspannung up über den Schalter S4 an den Eingang E gelegt. Zur Rückintegration
wird die negative Referenzspannung un benutzt. Es ergibt sich die Gleichung t3 (up
+ x) + t4 ('Un + x) = Yp (3) Die dafür benötigten Zeitabschnitte t3 und t4 sind
mit weiterzählenden Indizes bezeichnet. Bei einer dritten Korrekturumsetzung werden
die verwendeten Referenzspannungen vertauscht, es wird also mit der negativen Referenzspannung
un auf aufintegriert und mit der positiven Referenzspannung up zurückintegriert.
Dies ergibt durch Einsetzen der entsprechenden Werte in die Gleichung (1) die Gleichung
t5 (-un + x) + t6 (up + x) = Yn (4)
Schließlich wird eine unbekannte
Spannung abhängig von ihrer Polarität nach einer der beiden Gleichungen t7 (u5 +
x) + t8 (-un + x) = Yp (5a) und t7 (u5 + x) + t8 (up + x) = Yn (5b) umgesetzt.
-
Es muß dabei beachtet werden, daß von den durch die Gleichungspaare
(2a) und (2b) bzw. (5a) und (5b) dargestellten Umsetzungen nur jeweils eine durchgeführt
und ihr Ergebnis zur weiteren Verarbeitung herangezogen werden muß. Welche in Frage
kommt, entscheidet der Komparator nach dem Vorzeichen der Integratorausgangsspannung
u. Es kann so durchaus auch der Fall auftreten, daß z. B. bei einer weit abliegenden
Anfangs spannung u1 und einer kleinen positiven Eingangsspannung e1 die Nullinie
von der Spannung u am Integratorausgang nicht überschritten wird, so daß auch für
die Rückintegration weiterhin die positive Referenzspannung up angelegt werden muß.
Dies führt ohne Schwierigkeiten zu größen- und vorzeichenmäßig richtigen Ergebnissen.
-
Aus der Kombination der Gleichungen (2a) und (3) erhält man die Gleichung
x = up t3 - un (t4 - t2 (6a) t1 + t2 - t3 - t4 Aus der Kombination der Gleichungen
(2b) und (4) wird die Gleichung x = up (t6 - t2) - un t5/t1 + t2 - t5 - t6 (6b)
erhalten.
-
Werden die Gleichungen (3) und (5a) miteinander kombiniert, so folgt
daraus die Gleichung us = (t4 - t8) (-un + x) + t3 (up + x) - x (7a) t7 Die Kombination
der Gleichungen (4) und (5b) ergibt die Gleichung (t6 - t8) (up + x) + t5 (-un +
x) us = t7 - x (7b) Die Gleichungen (6a) und (6b) bestimmen den Korrekturwert x.
Mit den Gleichungen (7a) und (7b) werden die Umsetzungen von unbekannten Meßspannungen
us unter Berücksichtigung des vorher ermittelten Korrekturwertes x gewonnen.
-
Es ist einleuchtend, daß auch aus den Gleichungspaaren (6a) und (6b)
bzw. (7a) und (7b) jeweils nur eine Gleichung herangezogen werden muß. Bereits nach
der Aufintegration der'ersten Korrekturumwandlung, also nach t1 steht fest, ob die
Gleichung (6a) oder (6b) zur Berechnung von x benutzt werden muß. Es ist also zweckmäßig,
einem Mikroprozessor, der den Korrekturwert ausrechnet, von Anfang an die Daten
zuzuführen, wie sie anfallen.
-
Dann liegt spätestens zum Ende des Integrationsabschnittes t7, d.
h. nach der Aufintegration der unbekannten Spannung us, der Korrekturwert x vor.
Zu diesem Zeitpunkt kann schon entschieden werden, welche der beiden Gleichungen
(7a) oder (7b) zur Berechnung des Endergebnisses benutzt werden muß.
-
Korrekturumwandlungen brauchen nicht nacheinander durchgeführt werden,
sie können vielmehr zwischen den Umwandlungen von Meßspannungen einzeln eingestreut
werden. Die Einflußgrößen ändern sich hauptsächlich aufgrund von thermischen und
Alterungseinwirkungen nur langsam. So ist es im Einzelfall abzuwägen, wie oft oder
wie lange
ungesetzt werden kann, ehe wieder eine Korrektur e forderlich
ist. Die frequenz eines Takgenerators kann prinzipiell beliebig gewählt werden.
Sie muß nur so lange konstant sein, wie einmal bestimmte Korrektunierte zur Korrektur
von Veßumsetzungen herangezogen werden.
-
Wie schon erwähnt, ist es vorteIlhaft, wenn der Integrationsabschnitt
t7 ein ganzzahliges Vielfaches der ;;etzperiode ist, weil dadurch vom Netz verursachte
Störspannungen ausgeblendet werden. Bei den üblichen Dual-Slope-Methoden ist es
außerdem erforderlich, daß der Integrationsabschnitt t7 eine durch 10n (n > 1
und ganzzahlig) teilbare Zahl ist. Deshalb wird oft durch aufwendige Schaltungen
versucht, die Taktfrequenz mit der Xetzfrequenz zu synchronisieren. Dies ist nur
beschränkt möglich und gibt bei Kurzzeitschwankungen des Netzes wegen der Trägheit
der Synchronisierschaltung Anlaß zu Fehlern.
-
Das vorliegende Verfahren gestattet es demgegenüber, die "Synchronisation"
des Integrationsabschnittes t7 mit dem Netz einfach durch Auszählen einer oder mehrerer
Netzperioden zu erreichen. Ein wegen der nun beliebigen Taktfrequenz auftretender,
nicht durch 10n ohne Rest teilbarer Wert des Integrationsabschnittes t7 wird vom
Prozessor mühelos mitverarbeitet. Es sei auch noch erwähnt, daß es auch nicht erforderlich
ist, die für die Korrekturumsetzungen bestimmenden Aufintegrationsabschnitte t1,
t3 und t5 untereinander gleich oder gleich dem Integrationsabschnitt t7 zu machen,
obwohl dies gegebenenfalls einen Rechenvorteil für den Prozessor ergeben kann.