DE4009383C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Analog-Digital-Wandlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art ist aus der DE 38 36 812 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird zunächst ein Ausgangswert am Analog-Digital-Umsetzer bei einem unteren Referenzeingangswert gemessen. Danach wird ein Ausgangswert am Analog-Digital-Umsetzer bei einem oberen Referenzeingangswert gemessen. Die Differenz der Ausgangswerte wird durch die Differenz der Referenzeingangswerte dividiert und ergibt den Verstärkungsfaktor, mit dem auch der Ausgangswert beim unteren Referenzeingangswert multipliziert wird. Hieraus wird der Korrekturwert für den Offsetfehler gewonnen.

Bekannt sind ferner Verfahren zum Abgleich und Prüfen von Analog-Digital-Umsetzern, mit denen Nullpunkt- oder Offsetfehler und Verstärkungsfehler festgestellt werden (Schildewach et. al. in "Radio-Fernsehen-Elektronik", 1978, H. 7, S. 425-427).

Schließlich ist ein Verfahren zur Korrektur von Analogausgaben von Analog-Digital-Umsetzern bekannt, wobei zwei Referenzwerte für die Korrektur des Offsetfehlers und Verstärkungsfehlers bestimmt werden (EP 02 75 142 A2).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art so weiterzuentwickeln, daß durch Weiterverarbeitung von bei der Multiplikation bzw. Division auftretenden Nachkommastellen der Ausgangswerte des Analog-Digital-Umsetzers der bei einer Auf- oder Abrundung der Ausgangswerte verursachte Einfluß des Rundungsfehlers auf den Linearitätsfehler und den Quantisierungsfehler kleiner gemacht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Bei dem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 werden Stellen nach dem Komma in einem Digitalwert mit größerer Stellenzahl zur Weiterverarbeitung wie bei einem Analog-Digital-Umsetzer mit höherer Auflösung weitergegeben. Ein Analog-Digital-Umsetzer, dessen Meßwerte auf die oben beschriebene Weise ergänzt werden, hat deshalb insofern eine höhere Genauigkeit als die rechnerische Korrektur der Offsetfehler und der Verstärkungsfehler den vorhandenen Quantierungsfehler nicht vergrößern.

Als untere Referenzeingangsspannung wird vorzugsweise null Volt vorgegeben. Die obere Referenzeingangsgröße wird zweckmäßigerweise auf den oberen Wert des Eingangsspannungsbereiches eingestellt (Full-Scale). Eine Einstellung auf ungefähr den oberen Wert ist ebenfalls möglich.

Eine Anordnung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß ein ausgangsseitig mit einem Rechner verbundener Analog-Digital-Umsetzer eine vorgegebene Stellenzahl aufweist, die bei der Messung einer unteren Referenzeingangsspannung und einer höheren Referenzeingangsspannung für den sich jeweils ergebenden ersten und zweiten Ausgangswert ausgenutzt wird, daß der erste und zweite Ausgangswert im Speicher des Rechners abgelegt werden und daß von den bei der Korrektur von Ausgangswerten des Analog-Digital-Umsetzers durch den Rechner sich ergebenden Nachkommastellen zumindest diejenige mit dem höchsten Stellenwert vom Rechner mit den Stellen der vorgegebenen Stellenzahl ausgegeben und die übrigen Nachkommastellen aufgerundet werden.

Im Einstellbetrieb erfaßt der Rechner die beiden Referenzspannungswerte mit dem Analog-Digital-Umsetzer und bestimmt aus den beiden Meßwerten die Korrekturwerte und speichert sie ab. Im normalen Betrieb, wenn unbekannte Eingangsspannungen gemessen werden, korrigiert der Rechner den Meßwert mit den gespeicherten Korrekturwerten. Der Offsetfehler wird durch Subtraktion, der Verstärkungsfehler durch Multiplikation (bzw. Division) korrigiert. Dabei entstehen Nachkommastellen bei der Verstärkungskorrektur durch Multiplikation mit einem Bruch. Durch die rechnerische Korrektur des Digitalwerts mit höherer Stellenzahl als der Stellenzahl des A-D-Umsetzers mit den vorab im Einstellverfahren gewonnenen Korrekturwerten werden hierbei Vergrößerungen des Fehlers, die das Meßergebnis über den Quantierungsfehler hinaus verfälschen, beseitigt.

Die Erfindung wird anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur Analog-Digital-Umsetzung,

Fig. 2 Diagramme der digitalen Ausgangsgröße eines Rechners in Abhängigkeit von der Eingangsgröße und den verschiedenen Korrekturwerten,

Fig. 3 Diagramme der Ausgangsgröße eines Rechners in Abhängigkeit von der Eingangsgröße und Korrekturwerten kleiner als eins.

Ein Analog-Digital-Umsetzer 1 ist eingangsseitig wahlweise mit einer Sample- und Holdschaltung 2 verbunden, die von einem Verstärker 3 gespeist wird. Dem Verstärker 3 ist wahlweise ein Filter 4 vorgeschaltet, an dessen Eingang die zu messende analoge Größe angelegt wird. Die zu messenden Größen werden dem Eingang des Filters 4 z. B. über einen Multiplexer 5 zugeführt, der an zwei Eingängen 6, 7 je mit zwei Referenzspannungsquellen verbunden ist, deren Größen sich voneinander unterscheiden. Die eine, untere Referenzspannung ist vorzugsweise 0- bzw. Massepotential, während die andere Referenzspannung in einen anderen vorgegebenen größeren Wert, der insbesondere am oberen Ende oder im oberen Bereich der Meßgrößen liegt. Die Referenzspannungsquelle kann einstellbar ausgebildet sein. Der Analog-Digital-Wandler ist mit seinen Ausgängen an einen Rechner 8 angeschlossen, der die Meßwerte korrigiert und zur Weiterverarbeitung ausgibt. Weitere Eingänge 9, 10, 11 des Multiplexers sind an nicht näher dargestellte Meßgrößenerzeuger angeschlossen.

Der Analog-Digital-Umsetzer 1 hat eine bestimmte Anzahl von Stellen, denen je ein Ausgang 12, 13, 14, 15 zugeordnet ist. Im allgemeinen ist die Anzahl der Stellen größer, z. B. 12. Die durch Auswahl eines entsprechenden Umsetzers vorgegebene Anzahl der Stellen ist an die erforderliche Meßgenauigkeit angepaßt. Beispielsweise sind die Ausgänge 12 bis 15 für eine gewünschte Auflösung der Meßwerte vorgesehen, wobei dem Ausgang 15 die Stelle mit dem niedrigsten Stellenwert zugeordnet ist. Der Rechner 8 hat aber noch zwei weitere Ausgänge 16, 17, deren Bruchteile des Meßwerts zugeordnet sind. Es handelt sich also um Ausgänge für die Stellen nach dem Komma. Die Ausgänge 12 bis 15 sind an Eingänge des Rechners 8 angeschlossen. Der Rechner liefert die Ausgänge 12′-15′-16-17.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung kann bei der Analog-Digital-Wandlung der Einfluß des Offsetfehlers und Verstärkungsfehlers auf den Meßwert beseitigt werden. Für eine entsprechende Arbeitsweise muß die Anordnung vorher und im Betrieb zweckmäßigerweise zyklisch wiederholt eingestellt werden. Die Einstellung läuft wie folgt ab:

Der Eingang des Filters wird zuerst mit dem Eingang 7 verbunden, der an Massepotential gelegt ist. Danach wird in einem ersten Einstellschritt der digitale Ausgangswert im Speicher des Rechners 8 oder in einen mit diesem verbundenen Speicher mit allen Stellen 12 bis 15 als erster Korrekturwert für den Offsetfehler gespeichert. Anschließend wird der Eingang des Filters 4 mit dem Eingang 6 verbunden, an dem eine höhere Referenzeingangsspannung ansteht. Vor dem dieser entsprechenden Digitalwert werden auch alle Stellen als zweiter Korrekturwert für den Verstärkungsfehler zwischengespeichert.

Bei der auf die Einstellphase der Anordnung folgenden Messung unbekannter Eingangsspannungen, z. B. an den Eingängen 9, 10, 11 werden die Signale an den Ausgängen 12 bis 15 weiterverarbeitet. Dem an den Ausgängen 12 bis 15 auftretenden Digitalwert wird vom Rechner der Offset- und Verstärkungsfehler korrigiert. Der dabei entstehende Digitalwert mit zusätzlichen Nachkommastellen 16, 17 wird vom Rechner als korrigierter Meßwert ausgegeben. Dieser korrigierte Meßwert enthält zwar noch einen Quantierungsfehler, der jedoch nicht mehr durch die Korrektur des Offsetfehlers und des Verstärkungsfehlers des Verstärkers 3 wesentlich vergrößert wird. Für die Korrektur wird der Offsetfehler vom digitalen Eingangswert des Rechners 8 subtrahiert. Der Verstärkungsfehler wird durch Multiplikation mit dem Verhältnis Sollwert : Istwert des 2. Korrekturwertes mit dem bzw. Division durch das Verhältnis Istwert : Sollwert korrigiert.

Die Fig. 2 zeigt für verschiedene Korrekturwerte die digitale Ausgangsgröße des Rechners 8 in Abhängigkeit von der digitalen Ausgangsgröße des Analog-Digital-Umsetzers 1. Eine erste Kurve 19 stellt den Fall dar, daß der digitale Eingangswert des Rechners 8 und der digitale Ausgangswert gleich sind. Dies entspricht der Multiplikation mit dem Faktor 1 für den Fall, daß keine Korrektur eines Verstärkungsfaktors vorweggenommen werden muß.

Weiterhin sind in Fig. 2 zwei weitere Kurven 20, 21 dargestellt, bei denen die Ausgangsgröße des Rechners 8 durch Multiplikation der Eingangsgröße mit dem Faktor 1, 25 korrigiert wird. Die Kurven 20 und 21 sind im folgenden noch näher beschrieben.

Die Kurve 20 zeigt die Ausgangswerte des Rechners 8, wenn die Ausgangsgröße die gleiche Stellenzahl (Anzahl der Bits) wie die Eingangsgröße hat (z. B. 12 Bit-Analog-Digital-Umsetzer und 12 Bit Ergebnis). Dabei treten durch Rundungsfehler nach jeweils vier Schritten in der Eingangsgröße Sprünge 1 in der Ausgangsgröße von 2 LSB (Least significant bit) auf, die den Quantisierungsfehler verdoppeln. Dies ist ein zusätzlicher Linearitätsfehler von 1 LSB.

Die Kurve 21 zeigt Ausgangswerte des Rechners 8, wenn die Ausgangsgröße des Rechners eine Binärstelle mehr als die Eingangsgröße hat. Hiermit sind doppelt so viele Punkte auf der Kennlinie angebbar wie bei der Kurve 20 (d. h. jeweils ein Zwischenwert). Es treten durch Rundungsfehler nach jeweils zwei Schritten in der Eingangsgröße Sprünge in der Ausgangsgröße 2 von nur noch 1, 5 LSB auf (=Quantierungsfehler), zusätzlicher Linearitätsfehler nur 0, 5 LSB. Es werden jedoch nicht alle möglichen Ausgabe-Bit-Kombinationen verwendet.

Wenn z. B. bei einer gängigen Ausführung der Analog-Digital-Umsetzer 12 bit Wörter und der Rechner 16 bit Wörter ausgibt, dann sind mit 4 bit Nachkommastellen die Rundungsfehler nur noch 1/16 LSB des Analog-Digital-Umsetzers, also auch der zusätzliche Quantisierungsfehler nur noch 1/16 LSB.

Die Fig. 3 zeigt Kennlinien der Ausgangsgröße des Rechners 8 in Abhängigkeit von der Eingangsgröße bei Multiplikation mit Korrekturwerten <1. Eine Kennlinie 23 weist für den Fall, daß keine Nachkommastellen vorhanden sind, durch die Rundung für zwei Eingangswerte jeweils den gleichen Ausgangswert auf. Dies ist ein zusätzlicher Linearitätsfehler von 1 LSB.

Claims (5)

1. Verfahren zur Analog-Digital-Wandlung einer analogen Eingangsgröße mit einem, eine bestimmte Stellenzahl aufweisenden Analog-Digital-Umsetzer, dessen Offset- und Verstärkungsfehler korrigiert werden, wobei in einem ersten und zweiten Einstellschritt bei einer unteren und einer oberen Referenzeingangsspannung jeweils ein erster und ein zweiter digitaler Ausgangswert ermittelt werden, aus denen ein Korrekturwert für den Offsetfehler und ein Faktor für die Berechnung der Ausgangswerte bei beliebigen analogen Eingangswerten zur Korrektur des Verstärkungsfehlers bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der unteren Referenzeingangsspannung gemessene Ausgangswert der Korrekturwert für den Offsetfehler ist, der gespeichert wird und bei beliebigen, analogen Eingangsspannungen von den Ausgangswerten des Analog-Digital-Umsetzers subtrahiert wird, daß die nach der Subtraktion des Korrekturwerts vom jeweiligen Ausgangswert sich ergebende Differenz mit dem Verhältnis des höheren Referenzeingangswerts zum zweiten Ausgangswert multipliziert bzw. durch das Verhältnis des zweiten Ausgangswerts zum höheren Referenzeingangswert dividiert wird und daß von den durch die Korrektur sich ergebenden Nachkommastellen mindestens diejenige mit dem höchsten Stellenwert zusammen mit den Stellen vor dem Komma des digitalen Ausgangswerts weiterverarbeitet wird, während die anderen Nachkommastellen aufgerundet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als untere Referenzeingangsspannung null Volt vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als obere Referenzspannung der obere Wert des Eingangsspannungsbereichs eingestellt wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein ausgangsseitig mit einem Rechner (8) verbundener Analog-Digital-Umsetzer (1) eine vorgegebene Stellenzahl aufweist, die bei der Messung einer unteren Referenzeingangsspannung und einer höheren Referenzeingangsspannung für den sich jeweils ergebenden ersten und zweiten Ausgangswert ausgenutzt wird, daß der erste und zweite Ausgangswert im Speicher des Rechners (8) abgelegt werden und daß von den bei der Korrektur von Ausgangswerten des Analog-Digital-Umsetzers (1) durch den Rechner (8) sich ergebenden Nachkommastellen zumindest diejenige mit dem höchsten Stellenwert vom Rechner (8) mit den Stellen der vorgegebenen Stellenzahl ausgegeben und die übrigen Nachkommastellen aufgerundet werden.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer eingangsseitig an einen Multiplexer (5) angeschlossen ist.