DE3824671A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung mindestens eines in der zeitdomaene kodierten signals aus einem analogen signal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung mindestens eines in der Zeitdomäne kodierten busübertragbaren Signals aus einem analogen Signal eines Sensors und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Elektrische Meßwertaufnehmer, deren Ausgangssignal ein zeitanaloges Signal ist, sind auf einfache Weise multiplexbar. Ein Beispiel sind hierfür Temperatursensoren mit Schwingquarzen (DE-OS 31 28 706). Deren temperaturabhängige Frequenz wird nach entsprechender Teilung in ein Pulsabstandssignal gewandelt, über einen einfachen Bus übertragen und von einer Auswertungseinheit dekodiert. Ein entsprechendes Vorgehen ist bei Einsatz von Sensorelementen, die Spannungs- oder Brücken­ spannungssignale liefern, zwar mit Hilfe einfacher Oszillator­ schaltungen möglich (Elektroanzeiger Nr. 11 (30), Seiten 25-27 (1977)), scheitert aber in der Praxis bei hohen Genauigkeits­ anforderungen an der Drift bzw. dem Temperaturgang der notwendigen Kondensatoren, die die Frequenz mitbestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß das analoge Signal des Sensors mit einer Umsetzeranordnung weitgehend unabhängig von den Toleranzen und zeitlichen Änderungen der Kennwerte der Bauelemente der Umsetzer­ anordnung in mindestens ein Zeitabstandssignal umgewandelt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit einem Doppelintegrationsverfahren zuerst das analoge Signal durch einen Integrator während einer fest vorgegebenen oder gemessenen ersten Zeit integriert wird, daß danach ein Referenzsignal mit geeignetem Vorzeichen mit dem gleichen Integrator so lange integriert wird, bis der Ausgangszustand des Integrators zu Beginn der Doppelintegration erreicht wird und daß auf die zeitlichen Variablen der Integrationsschritte bezogene Zeitmarkensignale nacheinander zu einer Auswertanord­ nung übertragen werden. Die Zeitmarkensignale können zeitmultiplex mit Zeitmarkensignalen anderer Sensoren bzw. Umsetzeranordnungen auf dem gleichen Kanal übertragen werden. Daher ist die Anordnung auch für den Anschluß an einen Bus, z.B. eines Mikrorechners, geeignet. Die Auswertanordnung kann daher die Zeitmarkensignale zahlreicher Sensoren empfangen und verarbeiten. Die den analogen Signalen entsprechenden Werte stellt die Auswertanordnung mit hoher Genauigkeit zur Verfügung.

Vorzugsweise werden zumindest zu Beginn und am Ende der Doppelintegration Zeitmarkensignale erzeugt, wobei die zeitlichen Abstände der nachfolgenden Zeitmarkensignale zu den Zeit­ markensignalen zu Beginn der Doppelintegration von der Auswertanordnung für die Bestimmung der den analogen Signalen entsprechenden digitalen Werte weiterverarbeitet werden. Maßgebend sind also die Zeitabstände zwischen den von der gleichen Umsetzeranordnung erzeugten Zeitmarkensignalen. Diese Zeitabstände bleiben auch bei der Übertragung auf relativ langen Übertragungskanälen bzw. Bussen gleich. Das Verfahren eignet sich deshalb auch für Sensoren, die in größeren Abständen voneinander angeordnet sind.

Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist das Referenzsignal T dem über den Sensor fließenden Strom oder der Speisespannung für eine ein Sensorelement enthaltende Anordnung zur Erzeugung eines analogen Signals proportional, das einer vom Sensor erfaßten physikalischen Größe entspricht. Eine Reihe von Sensoren benötigen Betriebs- oder Speisespannungen, die durch das oben beschriebene Verfahren zugleich zumindest mit einem proportionalen Anteil als Referenzspannung bei der Integration ausgenutzt werden. Die Meßgenauigkeit wird durch Schwankungen der Speisespannung, die Schwankungen der analogen Sensorsignale verursachen, nicht beeinträchtigt.

Es ist zweckmäßig, wenn die erste Zeit durch ein, ein präzises Zeitintervall erzeugendes Zeitglied vorgegeben wird, wobei der Wert des Zeitintervalls in der Auswertanordnung gespeichert wird. Bei diesem Verfahren reicht die Übertragung der Zeitmarke zu Beginn und am Ende der Doppelintegration aus, um in der Auswertanordnung das Verhältnis der zweiten Integrationszeit zur gesamten Integrationszeit zu bestimmen. Die zweite Integrations­ zeit ist nämlich die Differenz der gesamten, durch die beiden Zeitmarkensignale bestimmbaren lntegrationszeit und der gespeicherten Zeit. Die zwischen den beiden Zeitmarkensignalen liegende Zeit wird von der Auswertanordnung z.B. mittels Zählung von Taktimpulsen konstanter Frequenz gemessen. Die Bildung des Quotienten aus erster Integrationszeit und gesamter Integrationszeit ist für die Beseitigung von störenden Einflüssen auf die Meßgenauigkeit von Bedeutung.

Bei einer anderen günstigen Ausführungsform wird bei einem die erste Integrationszeit nicht präzise vorgebenden Zeitglied ein Zeitmarkensignal zu Beginn der Doppelintegration, am Ende der ersten Integrationszeit und am Ende der Doppelintegration erzeugt, wobei in der Auswertanordnung zumindest die Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitmarkensignal sowie die Zeit zwischen dem ersten und dem letzten Zeitmarkensignal gemessen wird. Aus den beiden Zeitwerten bestimmt die Auswertanordnung den Quotienten.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß in einer Umsetzeranordnung ein Integrator über mindestens ein erstes Schaltelement an das analoge Signal und über mindestens ein zweites Schaltelement an das Referenzsignal anlegbar ist und daß der Integrator an eine Steuerlogik angeschlossen ist, die die Schalter betätigt und die Zeitmarkensignale erzeugt.

Die analoge Spannung ist zweckmäßigerweise die Ausgangs­ spannung eines Thermoelements. Vorteilhaft ist es auch, die Brückendiagonalspannung einer Brückenschaltung als analoge Spannung zu verwenden, wobei z.B. in der Brückenschaltung ein Dehnungsmeßstreifen angeordnet ist. Als analoge Spannung kann auch der Spannungsabfall an einem Temperaturmeßwiderstand verwendet werden, wobei die Referenzspannung an einem in Reihe mit dem Temperaturmeßwiderstand angeordneten Referenzwider­ stand abgreifbar ist.

Ein Meßsystem mit mehreren Sensoren, die jeweils mit einer Umsetzeranordnung verbunden sind, enthält zweckmäßigerweise eine Zweidrahtleitung, an die die Umsetzeranordnungen und eine Auswerteanordnung angeschlossen sind, wobei die Umsetzer­ anordnungen durch Adressiersignale der Auswertanordnung zur Ausgabe der Zeitmarkensignale aktivierbar sind. Insbesondere werden als Zeitmarkensignale Stromimpulse verwendet.

Anstelle einfacher Impulse für die Zeitmarkierung können Doppelimpulse definierter Länge mit festem Pulsabstand oder kodierte Pulsgruppen insbesondere dann für die Zeitmarkierung übertragen werden, wenn Störimpulse erkannt und Meßfehler aufgrund von Störimpulsen verhindert werden sollen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachstehenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zum Erzeugen eines in der Zeitdomäne kodierten Signals aus dem analogen Signal einer Brückendiagonale einer einen Sensor enthaltenden Brückenschaltung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung zum Erzeugen eines in der Zeitdomäne kodierten Signals aus einem analogen Signal eines Temperaturmeßwiderstandes,

Fig. 3 ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs der Integration eines Referenzsignals und eines analogen Signals in Verbindung mit integrationsabhängig erzeugten Zeitmarkensignalen,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Meßsystems mit Sensoren und Umsetzeranordnungen, die gemeinsam mit einer zentralen Auswertanordnung an eine Zweidrahtleitung angeschlossen sind,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm der von der Auswertanordnung gemäß Fig. 4 erzeugten Adressiersignale und

Fig. 6 ein Zeitdiagramm der von einer Umsetzeranordnung erzeugten Zeitmarkensignale.

So enthält z.B. ein Drucksensor (1) vier in einer Brückenschal­ tung angeordnete Widerstände (R 1), (R 2), (R 3), (R 4), von denen mindestens einer druckabhängig veränderbar als Dehnungs­ meßstreifen ausgebildet ist. Die Brückenschaltung wird von einer Speisespannung versorgt, die mit U _ref bezeichnet ist. Die mit U _x bezeichnete Brückendiagonalspannung, die ein Maß für den Druck ist, ist an Eingänge (2), (3) einer Umsetzeranordnung (4) gelegt, die weitere Eingänge (5), (6) enthält, an die die Speisespannung U _ref gelegt ist. Die Umsetzeranordnung (4) weist an den Eingängen (2), (3) jeweils angeschlossene Schaltelemente (7), (8) auf, die gemeinsam von einer Steuerlogik (9) betätigbar sind. Weiterhin sind an die Eingänge (5), (6) jeweils Schaltelemente (10), (11) angeschlossen, die ebenfalls gemeinsam von der Steuerlogik (9) betätigbar sind. Die Schaltelemente (7), (8) und (10), (11) werden in der Integrierarbeitsweise wechselweise geöffnet und geschlossen, d.h. bei geschlossenen Schaltelementen (7), (8) sind die Schaltelemente (10), (11) offen und umgekehrt. Die Schaltelemente (7), (10) sind gemeinsam an einen Widerstand R eines Integrators (12) angeschlossen. Dem Widerstand R ist ein Differenzverstärker (13) nachgeschaltet, dessen zweiter Eingang an die beiden Schaltelemente (8), (11) angeschlossen ist. Zwischen Eingang und Ausgang des Integrators (13) ist ein Kondensator C angeordnet, zu dem ein von der Steuerlogik (9) betätigbares Schaltelement (14) parallel geschaltet ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers (13) ist an die Steuerlogik (9) angeschlossen, die einen nicht näher bezeichneten Komparator aufweist. Die Steuerlogik (9) enthält Ausgänge (15), (16), die an eine Zweidrahtleitung (17) angeschlossen sind. Mit der Zweidrahtleitung (17) ist auch eine Auswertanordnung (18) verbunden.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird das analoge Signal U _x der Brückendiagonale in Pulsabstandssignale umgesetzt, die auf der Zweidrahtleitung (17) übertragen werden. Mit den Pulsabstandssignalen wird ein Wert in der Auswert­ anordnung (18) gewonnen, der dem Verhältnis U _x/U_ref propor­ tional und unabhängig von U _ref ist.

In einer ersten Zeit schließt die Steuerlogik (9) die Schalter (7), (8). Während dieser Zeit wird die analoge Spannung U _x integriert. Nach Ablauf der ersten Zeit öffnet die Steuerlogik (9) die Schalter (7), (8) und schließt die Schalter (10), (11). Während dieser Zeit wird die Referenzspannung U _ref mit umgekehrtem Vorzeichen (invertiert) integriert. Der Komparator in der Steuerlogik (9) stellt während des Doppelintegrations­ verfahrens fest, wenn die integrierte Größe den gleichen Wert wie zu Beginn der Integration eingenommen hat und beendet die Integration durch Öffnen der Schalter (7), (8), (10), (11) bzw. durch Schließen des Schalters (14). Zu Beginn der Integration gibt die Steuerlogik (9) ein Zeitmarkensignal, z.B. einen Impuls, an den Ausgängen (15), (16) aus. Auch am Ende der Integration gibt die Steuerlogik (9) ein digitales Zeit­ markensignal, z.B. einen Impuls, an den Ausgängen (15), (16) aus. Wenn die erste Zeit von der Steuerlogik präzise vorgegeben wird, dann wird ein entsprechender Wert in der Auswertanord­ nung (18) gespeichert. Die Bildung des Verhältnisses U _x/U_ref geschieht erfindungsgemäß mit dem auch als "Dual-Slope"-Ver­ fahren bezeichneten Verfahren, das bei langsamen Analog- Digital-Wandlern eingesetzt wird. Derartige Analog-Digital-Wand­ ler können direkt zur Realisierung der Umsetzeranordnung (4) eingesetzt werden, sofern sie an einem Ausgang die benötigten Zeitmarkensignale zur Verfügung stellen. Im Gegensatz zum bei AD-Wandlern gewünschten Digitalwert wird hier nur eine Zeitinformation übertragen.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist ein Temperatur­ meßwiderstand R _x in Reihe mit einem Referenzwiderstand R _ref an eine Speisespannung U gelegt. Die Widerstände R _x und R _ref sind mit der Umsetzeranordnung verbunden. Hierbei wird die an R _x abgegriffene Spannung an die Eingänge (2), (3) gelegt, während die an R _ref abgegriffene Spannung den Eingängen (5), (6) zugeführt wird. Die Umsetzeranordnung (4) ist in gleicher Weise wie bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung an die Auswert­ anordnung (18) angeschlossen. Das Widerstandsverhältnis R _x/R_ref wird bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung in ein Pulsabstandsverhältnis umgesetzt. Es gilt R _x/R_ref = U _x/U_ref, wobei das Verhältnis unabhängig von der Speisespannung U ist.

In Fig. 3 ist die Ausgangsspannung des Integrators (12) in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Die Doppelintegration beginnt zu einem Zeitpunkt 0. Es sei angenommen, daß die analogen Spannungen U _x und U _ref während der Dauer der Doppelintegration konstant sind.

Wie Fig. 3 zeigt, wird zunächst am Beginn eines Meßzyklusses im ersten Integrationsschritt für eine feste Zeit T₀ die Spannung U _x mit einem Integrator (12) aufintegriert, wobei folgende Gleichung gilt:

Mit U _s(t) ist die Ausgangsspannung des Integrators (12) und mit T₀ die erste Integrationszeit bezeichnet. Anschließend wird in einem zweiten Integrationsschritt eine Zeit T _x bestimmt, die die invertierte Referenzspannung U _ref aufintegriert werden muß, bis der Integrator (12) wieder seinen Ausgangszustand erreicht hat. Hierbei gilt:

Damit gilt:

In die Genauigkeit des Verhältnisses geht die Zeit­ konstante RC des Integrators (12) nicht ein.

Wird die feste Integrationszeit durch ein hinreichend präzises Zeitglied (z. B. hochwertiger Quarzoszillator) in der Umsetzer­ anordnung (4) realisiert, genügt die Übertragung je eines Zeitmarkensignals (19) bzw. (20) zu Beginn und am Ende der Integrationszeit im Abstand T₀+T _x . Das Verhältnis von U _x/U_ref wird dann in der Auswertanordnung (18) durch die Bildung des Quotienten ((T₀+T _x )-T₀)/T₀ berechnet, wobei nur T₀+T _x gemessen wird und T₀ bekannt ist. Die feste Zeit wird beispielsweise durch Aufsummierung einer vorgegebenen Zahl von Taktimpulsen ermittelt.

Eine Vereinfachung der Schaltung kann dadurch erreicht werden, daß der Einfluß eines ungenauen Zeitgebers für das Zeitintervall T₀ eliminiert wird, indem das Zeitmarkensignal (19) bei Beginn der Integrationsphase, ein Zeitmarkensignal (21) nach Ablauf der festen ersten Integrationszeit T₀ und das Zeitmarkensignal (20) am Ende der Integrationsphase gesendet wird. In der Auswertungselektronik werden dann direkt die beiden Zeitinter­ valle T₀ und T _x gemessen und der entsprechende Quotient gebildet.

Die Zeitmarkensignale sind in Fig. 3 als Rechtecksignale dargestellt, die durch Ströme i gebildet werden, die auf der Zweidrahtleitung (17) zu der Auswertanordnung (18) gelangen.

In Fig. 4 ist ein Meßsystem dargestellt, das eine Reihe von Sensoren S 1, S 2, S 3 . . . SN enthält, die in einem Prozeß verteilt angeordnet sind und jeweils analoge, für eine physikalische Größe charakteristische Ausgangsspannungen abgeben. Jeder Sensor S 1, S 2, S 3 . . . SN ist an eine Umsetzeranordnung (22), (23), (24), (25) angeschlossen. Die Ausgänge der Umsetzer­ anordnungen (22), (23), (24), (25) sind je mit einer Zweidraht­ leitung (27) verbunden, die vorzugsweise zu einem Bus gehört, der z.B. seriell arbeitet. Mit der Zweidrahtleitung (27) ist eine zentrale Auswertanordnung (28) verbunden.

Die Umsetzeranordnungen (22) bis (25) unterscheiden sich von der Umsetzeranordnung (4) darin, daß sie adressierbar sind, d.h. Adressendekodiereinrichtungen und nachgeschaltete Elemente aufweisen, mit denen die Integratoren und die Steuerlogik (9) in Betrieb gesetzt werden. Zum Adressieren werden vorzugsweise Spannungsimpulse, z. B. (26), (29) durch die Auswertanordnung (28) auf die Zweidrahtleitung (27) geschaltet. Als Adressen­ dekodierer können in den Umsetzeranordnungen (22) bis (25) jeweils auf eine bestimmte Zahl voreingestellte Zähler verwendet werden. Erkennt eine der Umsetzeranordnungen (22) bis (25) ihre Adresse, erzeugt sie die in Fig. 3 dargestellten Zeitmarkier­ signale (19), (20) bzw. (19), (20), (21). Zur Unterscheidung von Signal und Störpulsen können statt einfacher Pulse auch Doppelpulse mit festem Pulsabstand oder definierte Pulsgruppen gesendet werden. Doppelpulse (30), (31) zum Zeitpunkt 0, Doppelpulse (32), (33) am Ende der Zeit T₀ und Doppelpulse (34), (35) am Ende der Zeit T₀+T _x sind in Fig. 6 dargestellt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erzeugung mindestens eines in der Zeitdomäne kodierten, busübertragbaren Signals aus einem analogen Signal eines Sensors, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Doppelintegrationsverfahren zuerst das analoge Signal durch einen Integrator während einer fest vorgegebenen oder gemessenen ersten Zeit integriert wird, daß danach ein Referenzsignal mit dem gleichen Integrator so lange integriert wird, bis der Ausgangszustand des Integrators zu Beginn der Doppelintegration erreicht wird und daß auf die zeitlichen Variablen der Integrations­ schritte bezogene digitale Zeitmarkensignale nacheinander zu einer Auswertanordnung übertragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zu Beginn und am Ende der Doppelintegration Zeitmarkensignale erzeugt werden, wobei die zeitlichen Abstände der nachfolgenden Zeitmarkensignale zu den Zeitmarkensignalen am Beginn der Doppelintegration von der Auswertanordnung für die Bestimmung der den analogen Signalen entsprechenden digitalen Werte weiterverarbeitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal dem über den Sensor fließenden Strom oder der Speisespannung für eine ein Sensorelement enthaltende Anordnung zur Erzeugung eines analogen Signals proportional ist, das einer vom Sensor erfaßten physika­ lischen Größe entspricht.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeit durch ein ein präzises Zeitintervall erzeugendes Zeitglied vorgegeben wird, wobei der Wert des Zeitintervalls in der Auswertanordnung gespeichert wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem die erste Zeit nicht präzise vorgebenden Zeitglied Zeitmarkensignale zu Beginn der Doppelintegration, am Ende der ersten Integrationszeit und am Ende der Doppelintegration erzeugt werden, wobei in der Auswert­ anordnung zumindest die Zeit zwischen dem ersten und zweiten Zeitmarkensignal sowie die Zeit zwischen dem ersten und letzten Zeitmarkensignal gemessen wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Umsetzeranordnung (4) ein Integrator (12) über mindestens ein erstes Schaltelement (7, 8) an das analoge Signal und über mindestens ein zweites Schaltelement (10, 11) an das Referenzsignal anlegbar ist und daß der Integrator (12) an eine Steuerlogik (9) angeschlossen ist, die die Schalter (7, 8, 10, 11) betätigt und die Zeitmarken­ signale erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Thermoelement an die Umsetzeranordnung ange­ schlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenspannung eines eine Brückenschaltung aufweisenden Sensors (1) wie Drucksensor und die Speisespannung der Brückenschaltung an eine Umsetzeranord­ nung (4) gelegt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabfälle an einem Temperaturmeßwiderstand (R _x ) und an einem in Reihe mit dem Temperaturmeßwider­ stand angeordneten Referenzwiderstand (R _ref ) an eine Umsetzeranordnung (4) gelegt sind.

10. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9 mit mehreren Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor (S 1, S 2, S 3, SN) an eine Umsetzer­ anordnung (22, 23, 24, 25) angeschlossen ist, daß die Umsetzeranordnungen (22, 23, 24, 25) und eine Auswert­ anordnung (28) gemeinsam an eine Zweidrahtleitung (27) angeschlossen sind und daß die Umsetzeranordnungen (22, 23, 24, 25) durch Adressiersignale der Auswertanordnung (28) zur Ausgabe der Zeitmarkensignale aktivierbar sind.

11. Meßsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmarkensignale Doppelpulse (30, 31; 32, 33; 34, 35) mit festem Pulsabstand und definierter Länge oder Pulsgruppen sind.