DE2821146B2

DE2821146B2 - Schaltungsanordnung zur Umsetzung des elektrischen Ausgangssignals eines nichtlinearen Meßwertaufnehmers in einen der gemessenen physikalischen Größe proportionalen Wert

Info

Publication number: DE2821146B2
Application number: DE19782821146
Authority: DE
Inventors: Peter Ing.(Grad.) 7820 Titisee-Neustadt Maier
Original assignee: Atmos Fritzsching & Co Zweigniederlassung Lenzkirch Im Schwarzwald 7825 Lenzkirch GmbH
Current assignee: Atmos Fritzsching & Co Zweigniederlassung Lenzkirch Im Schwarzwald 7825 Lenzkirch GmbH
Priority date: 1978-05-13
Filing date: 1978-05-13
Publication date: 1980-12-04
Also published as: FR2425628A1; DE2821146A1; FR2425628B3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des A--Spruchs 1.

Zwei-Flanken-Analog-Digital-Umsetzer sind bekannt. Sie werden hauptsächlich zur Messung elektrischer und zur elektrischen Messung nichtelektrischer Größen angewendet. Das »Dual-Slopc«-Verfahren bildet einen streng linearen Zusammenhang zwischen der analogen Eingangsspannung und der digitalen Ausgangsinformation. Ist der Verlauf der Eingangsspannung nichtlinear über der zu messenden Größe (z. B. Spannung verläuft nichtlinear über der gemessenen Temperatur), so zeigt die digitale Ausgangsinformation ebenfalls diesen nichtlinearen Verlauf.

Ein Beispiel für einen derartigen Meßwertaufnehmer ist ein temperaturabhängiger Meßwiderstand, dessen Widerstandswert in guter Näherung einen linear und einen quadratisch von der Temperatur abhängigen Anteil aufweist. Nach dem bekannten Verfahren wird die von einem mit dem Meßwertaufnehmer verbundenen Meßwert-Spannungs-Umformer gelieferte Eingangsspannung in einer ersten Auswertphase mittels eines Analog-Digital-Umformers während einer bekannten Zeitspanne integriert. Nach Ablauf dieser Zeitspanne wird die Eingang des Analog-Digital-Umformers an eine bekannte BezugssDannung gelegt, und es erfolgt in einer zweiten Auswertphase eine Abwärtsintegration bis zum Ausgangspunkt der ersten Auswertphase. Während dieser Abwärlsinlegration wird die Zeit gemessen. Das Verhältnis der bckannlcn Aufwärts- Integrationszeit zur Abwärts- Integra ι ions/cit ist nun proportional /.um Verhältnis der bekannten Bczugsspannung zu der zu messenden Eingangsspannung. Vorteilhaft ist dabei, dal) für beide Auswcrtphascn dieselben Bauteile und dieselbe Zeilbasis verwendet wird, so dall sich deren Toleranzen eliminieren. Schwankungen der Zählfrequenz wirken sich ebenfalls nicht aus, wenn nur die Frequenz während eines kompletten Meßzyklus konstant bleibt

Bei diesem bekannten Verfahren können jedoch ί infolge der direkten Analog-Digital-Umformung, die zum analogen Eingangswert einen proportionalen Digitalwert liefert, recht große Meßfehler auftreten, ^wenn es sich um Meßwertaufnehmer mit quadratisch oder stärker gekrümmten Kennlinien handelt Bisher ίο werden diese Fehler meist analog durch nichtlineare Verstärker oder digital durch Manipulation der Ausgangswerte so klein wie möglich gehalten. Die Verwirklichung beider Möglichkeiten ist relativ aufwendig. Die Verwendung nichtlinearer Verstärker ist ι j überdies wegen deren Temperaturabhängigkeit schwierig-

Es ist ferner ein Linearisierungsverfahren bekannt

(Elektronik [1976], Heft 4, Seite 45 und 46), bei welchem zur Erzielung eines nichtlinearen Zusammenhangs

2« während der Referenzintegration der Leitwert des Integrationsnetzwerkes stufenweise verändert wird.

Die hierfür erforderliche Schaltungsanordnung ist wegen der benötigten steuerbaren Schalter aufwendig und darüber hinaus bei Verwendung von Halbleiter-

2Ί schaltern temperaturabhängig.

Im Zusammenhang mit einem Warngerät zur Schädlingsbekämpfung (DE-OS 22 34 419) wurde ferner ' zur nichtlinearen Anaiog-Digitalumsetzung allgemein vorgeschlagen, die Referenzspannung während der «ι Entladezeit entsprechend der gewünschten Nichtlinearität zu verändern, ohne jedoch hierbei anzugeben, in welcher Weise und mit welchen Mitteln die angestrebte Änderung erfolgen soll.

Durch die Erfindung soll die Linearisierung de* ti digitalen Ausgangssignals der eingangs genannten Schaltungsanordnung mit geringerem schaltungstechnischem Aufwand als bisher erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Maßnahmen gelöst.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Es versteht sich, daß die zur Teilung der Meßspannung nach Anspruch 1 vorgesehenen Widerstände ■r. durch al'e eine Widerstandswirkung der erforderlichen Art erbringend -m Schaltungen oder !Schaltelemente realisiert werden können.

Bei dem allgemein bekannten Dual-Slopc-Verfahren

ergibt sich der Zusammenhang zwischen der zu

κι messenden Eingangsspannung U_n der Bczugsspannung Unff und dem gelieferten Digitalwcrt /; aus folgender Gleichung:

^JRef

Dabei ist ρ ein Proportionalitälsfaklor.
Für die Schaltungsanordnung gem. der Erfindung gellen die folgenden Gleichungen:

η =

und

wobei

k-U_x+U_Rrf
I + fc

n der Heziigsspiinnungsqiielle gcliefer-

te Spannung, L/W die von der Eingangsspannung überlagerte tatsächliche Bezugsspannung und k das Verhältnis der Widerstandswerte der beiden ohmschen Widerstände ist.
Daraus folgt

η =

Pd
k-U_w+ U₁

U_x

(4)

KeI

Durch Wahl des Faktors k, also des Verhältnisses der beiden Widerstandswerte, kann die Umsetzungskennlinie in weitgehend beliebiger Weise verkrümmt werden.

Die Ableitung der Gleichung (4) zeigt folgende Abhängigkeit von der Eingangsspannung U_x:

d/i ₌ p(\+k)-U„ _rf dU_x (k -U_x+U_ReJf

(5)

Hat der verwendete Mcßwcriaufnehmcr cine progressive Kennlinie, deren Steigung mit wachsenden ><i Meßwerten zunimmt, so muß im gleichen Ausmaß die Bezugsspannung zunehmen. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird demnach die Bezugsspannung durch einen Teil der Eingangsspannung überlagert und vergrößert sich entsprechend. r,

Hat jedoch der Meßwertaufnehmer eine degressive Kennlinie, so muß die Eingangsspannung durch einen Umkehr-Verstärker invertiert und sodann der Bezugsspannung überlagert werden. So wird erreicht, daß die Bezugsspannung mit wachsender Eingangsspannung «> kleiner wird.

In beiden Fällen werden die durch die Kennlinie des Meßwert-Aufnehmers bedingten Meßfehler verschwindend klein.

Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele ji der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung näher erläutert.

Gemäß Fig. 1 ist ein als Meßwertaufnehmer dienendes Thermoelement 10 an die beiden Eingänge 12 und 14 eines Vorverstärkers 16 angeschlossen. Ein ^o erster Ausgang 18 des Vorverstärkers 16 ist über eine Leitung 20 mit einem ersten Eingang 22 eines Analog-Digital-Umformers 24 verbunden. Ein zweiter Ausgang 26 des Vorverstärkers 16 ist mit Erde 28 verbunden.

Eine Festspannungsquelle 30 liefert eine konstante Spannung LWund ist mit einer Klemme an Erde 32 und mit der anderen Klemme an eine Reihenschaltung von zwei ohmschen Widerständen 34 und 36 angeschlossen. Der erste ohmsche Widerstand 34 hat einen Widerstandswert k ■ R und der zweite ohmsche Widerstand 36 hat den Widerstandswert R. Der zweite ohmsche Widerstand 36 ist zwischen den ersten Eingang 22 und den zweiten Eingang 38 des Analcg-Digital-Umformers 24 geschaltet. Am Ausgang 40 des Analog-Digital-Umfnrmers 24 wird die Digitalanzeige η erzeugt, die dem gemessenen Wert entspricht.

Auf den ersten Eingang 22 des Umformers 24 wird die vom Vorverstärker 16 gelieferte Eingangsspannune U_x während einer ersten Auswertphase gegeben und integriert. Sodann wird der im Umformer 24 enthaltene Integrator auf den zweiten Eingang 38 umgeschaltet, auf den die durch die Eingangsspannung f./, über den Widerstand 36 modifizierte Be;.ugsspannung L/W gegeben wird. Sodann erfolgt eine Abwärtsintegration bis zum Ausgangspunkt der ersten Auswenphase, wobei die Zeit dieser Abwänsiniegraiion während der zweiten Auswertphase gemessen wird. Aus dem Verhältnis der beiden I ntegrat^; Eiszeiten und der bekannten Spannung LW wird sodann 3er zu messende Digitalwert π im Analog-Digital-Umformer24 ermittelt.

Für den Fall, daß k=0 ist, ergibt sich aus dieser Schaltanordnung die bekannte Anordnung des Zwei-Flank^n-A/D-Umsetzers mit fester Bezugsspannurg.

Mat jedoch der Meßwertaufnehmer 10 eine degressive Kennlinie, so wird die Schaltungsanordnung gem. Fig.2 verwendet. Hier sind gleiche Bezugszeichen lür gleiche oder entsprechende Teile -verwendet wie in Fig. 1. Der Meßwert-Aufnehmer ist jedoch nicht ein Thermoelement, sondern ein Widersland 10 mit negativem Temperalurkoeffizienien. Statt des Vorverstärkers ist hier ein Widcrslands-Spannungs-Umformer Io vorgesehen. Die einzige wesentliche· Änderung gegenüber der Schaltung gemäß F i g. I ist die Einfügung eines Umkehr-Verstärkers 42 zwischen den Ausgang 18 des Umformers 16 und den Widersiand 36. wobei der Umkehr-Verstärker 42 und der Widerstand 36 in Reihe zwischen den beiden Eingängen 22 und 38 des Analog-Digital-Umformers 24 liegen. Durch den L'.nkehr-Verstärker 42 wird die Eingangsspannung U_x invertiert und erst dann der Bezugsspannung überiagert, so daß die Bezugsspannung mit wachsender Eingangsspannung kleiner wird, wie es bei degressiver Kennlinie erforderlich ist. Im übrigen entsprient diese zweite Ausführungsform der Schaltanordnung genau der anhand von F i g. 1 beschriebenen Schaltanordnung.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Umsetzung des elektrischen Ausgangssignals eines nichtlinearen Meßwertaufnehmers in einen der gemessenen physikalischen Größe proportionalen Wert mit

a) einem von dem elektrischen Ausgangssignal beaufschlagbaren integrierenden Zwei-Flanken-A/D-Wandler, dessen Referenzspannung derart veränderbar ist, daß sich ein linearer Zusammenhang zwischen der physikalischen Größe und dem digitalen Ausgangssigna! des Zwei-Flanken-A/D- Wandlers ergibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

b) die Referenzspannung (U'r_ci) am Verbindungspunkt zweier Widerstände (34, 36) abgreifbar ist, die in Serie zwischen den Ausgang (18) des .Meßwertaufnehmers (10—18, 26, 28) und eine *Festspannungsquelle (30) geschaltet sind und deren Größenverhältnis nach Maßgabe der zu kompensierenden Nichtlinearität gewählt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang (18) des Meßwertaufnehmers (29—18, 26, 28) und die Serienschaltung der beiden Widerstände (34,36) ein Umkehr-Verstärker (42) geschaltet ist.