DE2930040C2 - Verfahren zur Fehlerkorrektur bei integrierenden Analog-Digital-Wandlern - Google Patents

Description

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Wird nun der Schalter so gelegt daß an dem Eingang des Integrators eine der Spannung U₁ entgegengesetzt gepolte Referenzspannung —Unf liegt, so fällt die Integrationsspannung Uc wieder. Der Nulldurchgang der Integrationsspannung Uc wird durch den !Comparator angezeigt, die zu diesem Zeitpunkt gemessene Zeit fc ist proportional der unbekannten Spannung üj.

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 Fig.3 gezeigt Der Hauptbestandteil der F i g. 3 ist wieder die Integrationsschaltung nach F i g. 1, die aus dem Verstärker /, dem Kondensator C in einem Rückkopplungszweig und dem Widerstand R besteht Der Widerstand R liegt zwischen dem Eingang des Verstärkers /und dem Ausgang eines Verstärkers Vt mit dem Verstärkungsfaktor K\. Die Eingangsspannung des Verstärkers Vi wird mit »e« bezeichnet Sie liegt an der Eingangsklemme E und ist abhängig von der Stellung von vier Schaltern Sl... S 4. Der Schalter S1 verbindet die Eingangsklenrme E mit Masse. Die Schalter 52 und 53 verbinden die Eingangsklemme E wahlweise mit Klemmen, von denen eine eine positive Referenzspannung u_p, eine andere eine negative Referenzspannung —u_a und eine dritte eine umzuwandelnde Meßspannung u_s führt Am Ausgang des Verstärkers /liegt der Eingang eines drittes Verstärkers V 2 mit dem Verstärkungsfaktor K 2 und der Ausgangsklemme A, an welcher der nicht dargestellte Komparator angeschlossen wird. Die Klemme A führt die Spannung u. Der Anfang der Integration einer Eingangsspannung durch den Integrator beginnt nun nicht, wie ideali- siert auf dem Diagramm der F i g. 2 gezeigt ist bei der Spannung »0«, sondern bei irgendeiner Spannung, die sich aus den Offset-Spannungen und Verstärkungsfaktoren der Verstärker Vt und V2 des Integrators nach F i g. 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 Fig.3 kann folgende Gleichung abgeleitet werden

grierende Referenzspannung u_p bzw. — u, 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 Nulldurchgang. Es wird deshalb zwischen den Ausgangsspannungen u_2p und u_>„ zu unterscheiden sein. Zur ersten Korrekturumwandlung wird an den Eingang E über den Schalter 51 eine Referenzspannung vom Wert 0 Volt gelegt Der Anstieg und die für die Rückintegration auszuwählende Spannung wird dabei ailein von den Offset-Spannungen bestimmt Durch Einsetzen der entsprechenden Größen in die Gleichung (1) werden dann folgende beiden Gleichungen erhalten

i, (0+*) -·- t_:\-u„+x) t_x (0+x) + t₂(u_P+x) =
Zur Vereinfachung wird gesetzt

i (C₁ +x) +

Hierbei ist u\ die am Ausgang A vorhandene Anfangsspannung, die sich durch eine in der F i g. 2 nicht dargestellte Rückkopplung 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 e, und ei liegen am Eingang £ während der Zeiten t\ bzw. t₂ an. Die zum Teil mit den Verstärkungsfaktoren gewichteten Offset-Spannungen werden durch χ ausgedrückt K bedeutet einen konstanten Faktor, der sich aus den Verstärkungsfaktoren K1 und K 2 sowie aus der Integrationszeitkonstanten fiCzusammensetzt

Zum Zeitpunkt <<■■» 0 wird nun an den Eingang fdie im allgemeinen unbekannte Spannung ei angelegt. Nach Ablauf der Zeit /_t stellt ckr Komparator das Vorzeichen der Ausgangsspannung u fest und schaltet über einen der Schalter 53 bzw. 54 eine entgegengesetzte inte-U_2n) = 7o
Damit erhält man die Gleichungen

t\x + t₂(—u„+x) = y_p
und

Ux + f₂ (Up+x) = jo

Für die zweite Korrekturumsetzung wird die positive Referenzspannung u_p über den Schalter 54 an den Eingang E gelegt Zur Rückintegration wird die negative Referenzspannung — U_n benutzt Es ergibt sich die Gleichung

h(u_p+x) + t4(—u„+x) = y_p

0)50 Die dafür benötigten Zeitabschnitte t^ und <4 sind mit weiterzählenden Indizes bezeichnet. Bei einer dritten Korrekturumsetzung werden die verwendeten Referenzspannungen vertauscht es wird also mit der negativen Referenzspannung — u„ aufintegriert und mit der positiven Referenzspannung u_p zurückintegriert. Dies ergibt durch Einsetzen der entsprechenden Werte in die Gleichung (1) die Gleichung

ts{-u„+x)

y„

Schließlich wird eine unbekannte Spannung abhängig von ihrer Polarität nach einer der beiden Gleichungen

tj(u_s+x) + tg(—u„+x) - y_p

und

60 h(u_s+x) + tt(u_p+x) = y„

umgesetzt

Es muß dabei beachtet werden, daß von den durch die r,5 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

5

Komparator nach dem Vorzeichen der Intigratoraus- Netzperiode ist, weil dadurch vom Netz verursachte gangsspannung u. Es kann so durchaus auch der Fall Störspannungen ausgeblendet werden. Bei din üblichen auftreten, daß z. B. bei einer weit abliegenden Anfangs- Dual-Slope-Methoden ist es außerdem erforderlich, daß spannung u\ und einer kleinen positiven Eingangsspan- der Integrationsabschnitt ti eine durch 10" (n £ 1 und nung ei die Nullinie von der Spannung u am Integrator- 5 ganzzahlig) teilbare Zahl ist Deshalb wird oft durch ausgang nicht überschritten wird, so daß auch für die aufwendige Schaltungen versucht, die Taktfrequenz mit Rückintegration weiterhin die positive Relerenzspan- der Netzfrequenz zu synchronisieren. Dies ist nur benung Up angelegt werden muß. Dies führt ohne Schwie- schränkt möglich und gibt bei Kurzzeitschwankungen rigkeiten zu größen- und vorzeichenmäßig richtigen Er- des Netzes wegen der Trägheit der Synchronisierschalgebnissen. to tung Anlaß zu Fehlern. Das vorliegende Verfahren ge-Aus der Kombination der Gleichungen (2a) und (3) stattet es demgegenüber, die »Synchronisation« des Inerhält man die Gleichung tegrationsabschnittes ti mit dem Netz einfach durch

Auszählen einer oder mehrerer Netzperioden /u errei-

_x = ^uph~ Un(h~h) ^_aj chen. Ein wegen der nun beliebigen Taktfrequenz auf·

i\ + h - h - U 15 tretender, nicht durch 10" ohne Rest teilbarer Wert des

integrationsabschnittes ti wird vom Prozessor mühelos

Aus der Kombination der Gleichungen (2b) und (4) mitverarbeitet. Es sei auch noch erwähnt, daß es auch

wird die Gleichung nicni criorucf !ich isi, die für die· KorrcktürurriSciÄüngcri

bestimmenden Aufintegralionsabschnittc /ι, I₁ und t-,

_x = ^up (fr ~ ^{ι) ~ ^u« h ^) 20 untereinander gleich oder gleich dem Integrationsab-

Ί + h ~ h ~ fr schnitt ti zu machen, obwohl dies gegegebenenfalls einen Rechenvorteil für den Prozessor ergeben kann.

erhalten.

Werden die Gleichungen (3) und (5a) miteinander Hierzu J Blatt Zeichnungen

kombiniert, so folgt daraus die Gleichung' 25

Die Kombination der Gleichungen (4) und (5b) ergibt die Gleichung

„ = (fr-frH»»+*) +'s(-".+*) __{x (7b)} h

35

Die Gleichungen (6a) und (6b) bestimmen den Korrekturwert x. Mit den Gleichungen (7a) und (7b) werden die Umsetzungen von unbekannten Meßspannungen U₁ unter Berücksichtigung des vorher ermittelten Korrekturwertes χ 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 Auifintegration der ersten Korrekturumwandlung, also nach f(, steht fest, ob die Gleichung (6a) oder (6b) zur Berechnung von χ benutzt werden muß. Es ist also zweckmäßig, einem Mikroprozessor, der den Korrekturwert ausrechnet, von Anfang an die Daten zuzuführen, wie^ie anfallen. Dann liegt spätestens zum Ende des Intcgrationsabschi.htes ti, d. h. nach der Aufintegration der unbekannten Spannung u_s, der Korrekturwert χ 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 »ich hauptsächlich aufgrund von thermischen und Alierungseinwirkungcn nur langsam. .So ist es im Einzelfall abzuwä- gen. wie oft oder wie lange umgesetzt werden kann, ehe wieder eine Korrektur erforderlich ist Die Frequenz eines Taktgenerators kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Sie muß nur so lange konstant sein, wie einmal bestimmte Korrekturwerte zur Korrektur von Meßum- es Setzungen herangezogen werden.

Wie schon erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn der Integrationsabschnitt (7 ein ganzzahliges Vielfaches der

Claims (1)

1 2

Dort werden die Referenzanalogwerte aus einem Test-Patentanspruch: Digital-Analog-Umsetzer über den Mikroprozessor bereitgestellt Dies stellt eine universelle Lösung dar, mit

Verfahren zur Fehlerkorrektur bei Analog/Digi- der praktisch alle Arten von Fehlern korrigiert werden

tal-Wandlern, wobei unter Eingabe von Referenz- 5 können, die aber einen beträchtlichen Aufwand erfor-

analogwerten in den Analog/Digital-Wandler ein dert

Mikroprozessor Korrekturwerte errechnet und zu Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine beden Ergebnissen von Analog/Digital-Wandlun,gen grenzte Anzahl von Referenzanalogwerten zur Korrekunbekannter Malogwerte addiert, dadurch ge- turerrechnung bereitzustellen, die nicht erst über einen kennzeichnet, daß bei einem Analog/Digital- io Digitai-Analog-Wandler umgesetzt und für die auch Wandler nach dem Dual-SIope-Prinzip in drei keine zusätzlichen Konstantspannungsquellen benötigt Schlitten je eine Umwandlung einer an den Eingang werden.

des Analog-Digital-Wandlers gelegten ersten, zwei- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfin-

ten und dritten analogen Referenzspannung (0, — u_a , dung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent-

Up), von denen mindestens zwei von Null verschie- 15 anspruchs.

den und unterschiedlicher Polarität sind, in Digital· Als Referenzanalogspannung werden demnach die in

werte erfolgt und unter Zwischenspeicherung der einem Dual-Slope-Analog-Digital-Wandler ohnehin

Digitalwerte aus vorgegebenen Nennwerten der verwendeten Referenzspannungen für die Rückintegra-

drei Referenzspannungen (0, —u„, u_p) und den E>igi- tion auch als Prüf spannungen zur Errechnung von Kortalwerten in dem Mikroprozessor digitale Fehler- 20 rekturwerten benutzt Neben dem Mikroprozessor zur

werte (x,», y_a) errechnet werden, von denen miride- Berechnung der Werte sind demnach keine zusätzlichen

stens einer unter Verwendung des Mikroprozessors und aufwendigen Testwertgeneratoren erforderlich,

zur Korrektur des digitalen Umwandlungsergebnis- Mit dem neuen Verfahren wird also nicht versucht

ses einer dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers die analogen Fehlereinflüsse auf der Analogseite zu

zugefOhrten analogen MeBsp&anung (u,) dient, und 25 kompensieren, man läßt diese Fehler vielmehr zu. Ihr

daß eine der Referenzspannungen durch Kurzschiie- Wert wird jedoch laufend durch KorrekturumWandlung

ßen der Eingangsklemme eines Integrationsverstär- bekannter analoger Referenzwerte ermittelt und an-

kers (I) des Analog/Digital-Wandlers gegeben ist so- schließend rechnerisch, d. h. auf der digitalen Seite, mit

wie daß die zweite und dritte Referenzspannung die dem Meßwert zuscmmen verarbeitet Hierdurch ergibt

für die Rückuitegration des Integrationsverstärkers 30 sich eine Berücksichtigung aller obengenannter Fehler,

vorgesehenen Referenzspannjngen sind auch der zeitlich veränderlichen Fehler, sofern ihre Änderungsgeschwindigkeiten nicht Bruchteil eines Um-

setzzyklus betragen. Dies ist jedoch bei alterungs- und

temperaturbedingten Fehleränderungen nicht zu be-

35 fürchten. Für die Schaltung können billige Siandard-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerkor- Bauelemente in einem einfachen Schaltungsaufbau vcr-

rektur bei Analog-Digital-Wandlern, wobei unter Ein- wendet werden.

gäbe von Referenzanalogwerten in den Analog-Digital- Die Erfindung wird an drei Figureh.c-rläutert.

Wandler ein Mikroprozessor Korrekturwerte errechnet F i g. 1 stellt einen für einen Analog-Digital-Wandler

und zu den Ergebnissen von Analog-Digital-Wandlun- 40 nach dem Dual-Slope-Verfahren benötigten Integrator

gen unbekannter Analogwerte addiert dar. In

In Digital-Voltmetern enthaltene Analog-Digital- Fig.2 ist in einem Zeitspannungsdiagramm der VerWandler arbeiten heute fast ausschließlich mit einer von lauf der Ausgangsspannung des Integrators / nach verschiedenen Integrationsmethoden. Diese haben den F i g. 1 dargestellt

Vorteil, daß die Integrationszeitkonstante nicht in das 45 F i g. 3 stellt einen erweiterten Integrator eines nach

Meßergebnis eingeht und damit auch keine Fehler ver- dem Dual-Slope-Verfahren arbeitenden Analog-Digi-

ursachen kann, wenn sie nur während eines Umsetzzy- tal-Wandlers dar.

klus konstant bleibt Ferner werden von der Netzfre- Nach F i g. 1 besteht ein Integrator für einen Analogquenz herrührende Störspannungen dadurch eliminiert, Digital-Wandler nach dem Dual-Slope-Prinzip aus foldaß die Umsetzzeit ein ganzzahliges Vielfaches der 50 genden Elementen: Im Rückkopplungszweig eines Ver-Netzperiode beträgt Es bleiben jedoch nach wie vor stärkers / liegt ein Kondensator C. Eine Eingangsklem-Fehlerquellen, so z. B. die Offset-Spannungen, die endli- me des Verstärkers /, an welcher die Rückkopplungschen Leerlaufverstärkungen eines Integrators, eines schleife endet liegt über einen Widerstand R an einem Komparators und der Verstärkerstufen sowie die be- Umschalter S, der wahlweise mit zwei Klemmen vergrenzte Geschwindigkeit des Komparators. Von diesen 55 bunden werden kann. An der einen Klemme liegt eine Fehlern kann die Offset-Spannung mit Hilfe eines söge- negative Referenzspannung <w, an der anderen eine nannten Auto-Zero-Zyklus kompensiert werden, bei Meßspannung U₁. Am Ausgang des Verstärkers / ist dem ein Kondensator in einer Rückkoppelschleife zwi- eine Spannung U₁ zu entnehmen, die einem nicht dargcsehen einzelne Umsctzzyklen auf die Offset-Spannung stellten Komparator zugeführt wird. Der Komparator aufgeladen wird. In einem anschließenden Umsetzzy- 60 vergleicht die Integrationsspannung u_c mit einer klus kann dann die Offset-Spannung von der zu messen- Schwelle, deren Unter- bzw. Überschreiten einen Umden Spannung abgezogen werden. setzzyklus beendet

Ein eingangs genanntes Verfahren ist aus dem Auf- Nach F i g. 2 steigt die Ausgangsspannung u_cdes Inte-

saiz »Digitale Korrekturverfahren zur Genauigkeits- grators /vom Zeitpunkt i«0 linear mit der Zeit an und

/Geschwindigkeitssteigerung der schnellen A/D-Um- 65 erreicht nach einer vorgegebenen Zeit /1 den Wert u_c\.

sclzung« in der Zeitschrift »Der Elektroniker«, Nr. 6, Dieser Wert ist proportional einer zu messenden Span-

1178. Seiten EL 14 bis EL 19, insbesondere aus Seite nung U₁ an einer der Klemmen, die der Schalter 5 nach

ΙΠ. 18. Bild 12 und dazugehörige Beschreibung, bekannt Fig. I mit dem Eingang des Verstärkers / verbindet.