DE3030990A1

DE3030990A1 - Linearisierungsschaltung

Info

Publication number: DE3030990A1
Application number: DE19803030990
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Ing. Wien Schöpflin
Original assignee: Goerz Electro GmbH
Current assignee: Lem Norma GmbH
Priority date: 1979-09-07
Filing date: 1980-08-16
Publication date: 1981-04-02
Also published as: DE3030990C2; AT380340B; ATA590379A

Description

Linearisierungsschaltung
Die Erfindung betrifft eine Linearisierungsschaltung.
In vielen Fällen haben Meßfühler eine Kennlinie, die nicht wesentlich von einer Geraden abweicht. Soll z.B. der zeitliche Verlauf der Temperatur einer Meßstelle auf einem Streifenschreiber aufgezeichnet werden, so ist eine bezüglich der registrierten Temperatur linear geteilte Skala wünschenswert; dies kann durch Linearisierung des elektrischen Ausgangssignales der von Natur aus nichtlinearen Meßfühler (Thermoelemente, Widerstandsthermometer usw.) erreicht werden. Üblicherweise werden hierfür Netzwerke verwendet, welche die Abweichung des Meßfühlers von der linearen Kennlinie durch eine gegenläufige Kennlinienkrümmung des Netzwerkes ausgleichen. Solche gekrümmte Kennlinien eines analogen Übertragungskanals können z.B. durch Schaltungen mit vorgespannten Dioden oder Transstorschaltungen erzeugt werden, die in Abhängigkeit von der Größe des Eingangssignals die Verstärkung des Übertragungskanals ändern.
Der Aufwand für Schalter und Justierung der Schalterschwellen steigt sehr stark mit Verkleinerung der Fehlergrenzen an, wobei die von der Umgebungstemperatur abhängigen Fehler des Linearisierungsnetzwerkes immer schwieriger zu beherrschen sind.
Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, bessere Verfahren zu finden. Eine Möglichkeit besteht darin, das Meßsignal zu digitalisieren und die Kennlinienkorrektur auf digitalem Weg vorzunehmen. Zu diesem Zwecck sind eine Reihe von Verfahren bekanntgeworden, die durch spezielle Ausbildung des Analog-Digitalumsetzers dieses Ziel erreichen.
Zum Betrieb eines Streifenschreibers ist aber ein analoges Signal nötig, welches aber bei digitaler Meßwertverarbeitung erst durch eine Digital-Analogumsetzung wieder rückgewonnen werden müßte.
Ziel der Erfindung ist es, ein für Streifenschreiber optimales Linearisierungsverfahren anzugeben, welches sehr gute Langzeitstabilität mit kleinen Fehlergrenzen und geringem schaltungstechnischen Aufwand vereinigt.
Dies wird durch die erfindungsgemäße Linearisierungsschaltung dadurch erreicht, daß zur Erzielung eines linear von der Mengröße abhängigen Ausgangssignales das Eingangssignal über eine Verstärkeranordnung linear verstärkt und mit einem, mit Mitteln der digitalen Signalverarbeitung gewonnenen Korrektursignal additiv zusammengesetzt ist, wobei das vorverstärkte Eingangssignal mit einem A/D-Wandler digitalisiert, durch einen entsprechend programmierten Festwertspeicher der zahlenmäßige Wert des Korrektursignales erzeugt, anschließend wieder mit einem D/A-Wandler in analoge Form umgesetzt und zum linear verstärkten Eingangssignal addiert ist, wobei eine zeitlich dreieckförmig verlaufende Spannung geringer Amplitude und verhältnismäßig hoher Frequenz eines Generators der Eingangsspannung des A/D-Wandlers überlagert ist, wodurch eine Interpolation der Quantisierungssprünge des Korrektursignales erfolgt, so daß nach Filterung in einem entsprechenden Tiefpaß ein von Unstetigkeiten freies, linearisiertes Ausgangssignal an der Ausgangsklemme des Tiefpasses erhalten wird.
Die folgende Beschreibung des Erfindungsgedankens geht von der Tatsache aus, daß die Abweichung der Kennlinie vom linearen Zusammenhang zwischen Temperatur und erzeugter Spannung bei Thermoelementen und Widerstands fühlern nicht sehr groß ist; die Linearisierung kann dabei mit den gleichen Mitteln vorgenommen werden, wie sie im folgenden beispielsweise für Thermoelemente beschrieben werden.
Anhand der Zeichnungen wird ein Beispiel der Erfindung erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine beispielhafte Darstellung der Kennlinie eines Thermoelementes, und Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
In Fig. 1 ist mit A die etwas übertrieben nichtlinear dargestellte Kennlinie eines Thermoelementes bezeichnet. UK ist die Differenz zwischen B und A; sie ist beispielsweise für T = 0 und T = T2 zu Null gemacht worden. B stellt also die gewünschte lineare Abhängigkeit zwischen Temperatur T und Spannung U dar. Die Funktion B wird aus A erzeugt, indem zu jedem entsprechenden Funktionswert UA(T) ein Korrekturwert UK(T) addiert wird. Wie noch gezeigt werden wird, kann der benötigte Korrekturwert einfach und wirtschaftlich mit digitalen Mitteln erzeugt werden.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung. Die Spannung eines Thermoelementes 1 liegt an isothermen Klemmen 1' und 1", und wird über ein Tiefpaßfilter 2 einem Eingang eines ersten Verstärkers 4 zugeführt; die Anordnung 3 erzeugt in an sich bekannter Weise eine der Temperatur des isothermen Klemmenpaares entsprechende Spannung, so daß die am Eingang des Verstärkers 4 liegende Thermospannung auf 0°C bezogen ist. Der Ausgang des Verstärkers 4 ist über die Serienschaltung zweier Widerständer R1 und R2 mit Bezugspotential verbunden, wobei der Verbindungspunkt der beiden Widerstände R1 und R2 an den anderen Eingang des Verstärkers 4 angeschlossen ist. Weiter ist der Ausgang des Verstärkers 4 einersetis über einen Widerstand R3 und andererseits über die Serienschaltung eines Widerstandes R4, eines Widerstandes R5, eines A/D-Wanilers 6, eines Festwertspeichers (ROM) 7, eines D/A-Wandlers 8 und eines Widerstandes R6 mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers 5 verbunden. Der Eingang eines dritten Verstärkers 9 ist am Verbindungspunkt der beiden Widerstände R4 und R5 angeschlossen, während der Ausgang des Verstärkers 9 am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R5 und dem A/D-Wandler 7 angeschlossen ist. Ein Dreieckgenerator 10 liegt über einem Widerstand R7 ebenfalls am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R4 und R5. Der Ausgang des Verstärkers 5 ist einerseits zu einer Ausgangsklemme 11 geführt, und ist andererseits über die Parallelschaltung eines Kondensators C1 und eines Widerstandes R8 mit dem Eingang des Verstärkers 5 verbunden. Nimmt man zunächst an, daß die Verbindung zwischen R8 und denu Eingang des Verstärkers 5 unterbrochen wäre, würde an der Ausgangsklemme 11 die auf 0°C bezogene Thermospannung des Thermoelementes 1, multipliziert mit dem Produkt der Spannungsverstärkungen der Verstärker 4 und 5, anliegen. An der Ausgangsklemme 11 läge dann also die verstärkte, nichtlinearisierte Thermospannung des Thermoelementes 1.
Um die Linearisierung zu bewirken, wird die am Ausgang des Verstärkers 4 linear verstärkte Thermospannung dem Eingang des Verstärkers 9 zugeführt und entsprechend dem Verhältnis 5 R4 verstärkt. Zunächst wird angenommen, daß der Widerstand R7 unterbrochen wäre; am Ausgang des Verstärkers 9 und somit auch am Eingang des A/D-Wandlers 6 steht eine auf OOC bezogene, der Thermospannung proportionale Spannung zur Verfügung. Der A/D-Wandler 6 ist so ausgelegt, daß er innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches T1 ... T2 voll durchgesteuert wird. Ist dieser Wandler z.B. für 8 Bit Auflösung ausgelegt, so würde man die Ansteuerung zweckmäßigerweise so auslegen, daß bei T1 am Ausgang Null und bei T2 am Ausgang ein Bitmuster entsprechend der Zahl 255, erscheint. Diese digitalisierten Werte bilden die Adressen für den Festwertspeicher 7, welcher ein Bitmuster an den Eingang des D/A-Wandlers 8 abgibt, das proportional zu den jeweils benötigten Korrekturwerten UK ist. Am Ausgang des D/A-Wandlers 8 erscheinen also zu UK proportionale Spannungswerte, die, durch den Widerstand R8 gewichtet, die Linearisierung der Thermospannung bewirken.
Die bisher beschriebene Anordnung würde eine Aufzeichnung mit sichtbaren Unstetigkeiten ergeben, die durch die endliche Anzahl von Korrekturstellen und Korrekturwerten verursacht werden. Zur Vermeidung von diesen Unstetigkeiten und zur weiteren Verkleinerung der Fehler der Aufzeichnung wird erfindungsgemäß durch den Dreieckgenerator 9 eine zeitlichdreieckförmig verlaufende Modulationsspannung ohne Gleichspannungskomponente erzeugt, die über einen Widerstand R7 auf den Summationseingang des Verstärkers 9 geschaltet ist.
Die wirksame Amplitude dieser Dreieckspannung wird so bemessen, daß der Bereich entsprechend dem Abstand von zwei Korrekturpunkten überstrichen wird, d.h., daß durch die Dreieckspannung alleine der A/D-Wandler 6 um mindestens einen Schritt und höchstens zwei Schritte auf- und abgesteuert wird. Die Frequenz der Dreieckspannung wird so gewählt, daß sie einerseits etwa um den Faktor 10 kleiner als die Umsetzfrequenz des A/D-Wandlers 6 ist, andererseits durch den als Tiefpaß beschalteten Verstärker 5 hinreichend geglättet wird.
Dadurch wird eine Pulsbreitenmodulation des Ausgangs des D/A-Wandlers 8 und eine Mittelwertbildung zwischen den Korrekturwerten bewirkt, so daß die Unstetigkeiten in der Aufzeichnung gänzlich verschwinden und eine genauere Anpassung der Kurve an den gewünschten Verlauf resultiert.
Der A/D-Wandler 6, der D/A-Wandler 8 und Festwertspeicher 7 sind in vorteilhafter Weise für 8 Bit ausgelegt, welche Elemente sehr preiswert als integrierte Schaltungen erhältlich sind, so daß die erfindungsgemäße Schaltung sich durch Preiswürdigkeit und sehr gute Langzeitstabilität bei geringem Aufwand für die Justierung auszeichnet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Festwertspeicher 7 ohne große Mehrkosten mit den Korrekturwerten für z.B. 4 gebräuchliche Thermoelementtypen programmiert werden, so daß durch eine einfache Adressen-Umschaltung der entsprechende Speicherteil ausgewählt werden kann; auf diese Weise ist es wirtschaftlich möglich durch wenige Umschaltungen einen für mehrere verschiedene Thermoelementtypen verwendbaren Linearisierungsteil zu entwerfen.
Desgleichen kann in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäße Linearisierungsschaltung durch eine an sich aus der Analogtechnik bekannten Maßnahme ergänzt werden, wonach der A/D-Wandger 6 und der D/A-Wandler 8 nur Signale einer einzigen Polarität zu verarbeiten brauchen. Diese Maßnahme besteht z.B. darin, daß dem Eingang (Summationspunkt) des Verstärkers 9 eine konstante Gleichspannung entsprechender Größe als Vorspannung zugeführt wird, welche dann am Eingang (Summierungspunkt) des Verstärkers 5 wieder abgezogen wird, wodurch eine Transformierung des Korrektursignales in einen der Quadranten des Spannungs-Strombereiches erfolgt.

Claims

Ansprüche Linearisierungsschaltung für Meßfühler, deren Kennlinie unwesentlich von einer Geraden abweicht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines linear von der Meßgröße abhängigen Ausgangssignales das Eingangssignal über eine Verstärkeranordnung (4, Rl, R2) linear verstärkt und mit einem mit Mitteln (R4, R5, R6, 6, 7, 8, 9) der digitalen Signalverarbeitung gewonnenen Korrektursignal additiv zusammengesetzt ist, wobei das vorverstärkte Eingangssignal mit einem A/D-Wandler (6) digitalisiert, durch einen entsprechend programmierten Festwertspeicher (7) der zahlenmäßige Wert des Korrektursignales erzeugt, anschließend wieder mit einem D/A-Wandler (8) in analoge Form umgesetzt und zum linear verstärkten Eingangssignal addiert ist, wobei eine zeitlich dreieckförmig verlaufende Spannung geringer Amplitude und verhältnismäßig hoher Frequenz eines Generators (10, R7) der Eingangsspannung des A/D-Wandlers (6) überlagert ist,wodurch eine Interpolation der Quantisierungssprünge des Korrektursignales erfolgt, so daß nach Filterung in einem entsprechenden Tiefpaß (5, C1, R8) ein von Unstetigkeiten freies, linearisiertes Ausgangssignal an der Ausgangsklemme (11) des Tiefpasses erhalten wird.
2. Linearisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung der für die Erzeugung des Korrekturwertes benötigten Elemente (6, 7, 8) mit 8 Bit gewählt ist.
3. Linearisierungsschaltung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit an sich aus der Analogtechnik bekannten Maßnahmen das Korrektursignal so transformiert ist, daß der A/D-Wandler (6) und der D/A-Wandler (8) nur Signale einer einzigen Polarität zu verarbeiten brauchen.
4. Linearisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festwertspeicher (7) mit den Korrekturtabellen für verschiedene Typen von Meßfühlern, z.B.

Thermoelementen, programmiert und durch einfache Adressen-Umschaltung des Speicherbausteines die Korrekturtabelle für den gewünschten Meßfühlertyp ausgewählt ist.
5. Linearisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der dreieckförmigen Modulationsspannung des Generators (10) den A/D-Wandler (6) um mindestens einen Schritt und höchstens um zwei Schritte aussteuert.