DE102005022965A1 - Verfahren zur Analog-Digital-Wandlung eines Messsignals auf der Basis einer Spannungs-Frequenz-Wandlung - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Analog-Digital-Wandlung eines Messsignals auf der Basis einer Spannungs-Frequenz-Wandlung weist folgende Verfahrensschritte auf:
- Wandeln der Messspannung während eines aktuellen Torzeitintervalls (tG) in Impulse (P) einer veränderlichen Wandel-Frequenz,
- Bestimmen eines Grob-Digitalwertes für das Messsignal aus der Zahl der Impulse (P),
- Ermitteln einer Rest-Zeitdifferenz zwischen den randseitigen Impulsen eines Torzeitintervalls (tG) und den Start- und Endzeitpunkten (t₁, t₄) des Torzeitintervalls (tG),
- Ermitteln entsprechender Impuls-Zeitdifferenzen zwischen den randseitigen Impulsen zweier aufeinanderfolgender Torzeitintervalle (tG),
- Bilden eines Fein-Digitalwertes aus dem Verhältnis zwischen Rest- und Impuls-Zeitdifferenzen und
- Bilden eines für das Messsignal repräsentatives Resultat-Digitalwertes aus Grob- und Fein-Digitalwert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analog-Digital-Wandlung eines Messsignals auf der Basis einer Spannungs-Frequenz-Wandlung mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.
• Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt für das Gebiet elektrochemischer Messsensoren, wie pH- und Sauerstoff-Messsonden, bei denen eine Messspannung nicht abtastend, sondern integrierend erfasst werden muss.
• Als weitere Randbedingung ist für die A/D-Wandlung einer Messspannung vielfach gefordert, dass zwischen den einzelnen Messzeitintervallen, in denen das Messsignal erfasst wird, keine Totzeiten vorhanden sind. Schließlich muss beim Einsatz eines derartigen Messsensors darauf geachtet werden, dass die Stromaufnahme möglichst gering ist. Grund hierfür ist die Tatsache, dass solche Messsensoren mit integrierenden A/D-Wandlern oftmals an batterieversorgten Messköpfen eingesetzt werden, die naturgemäß eine möglichst lange Lebensdauer haben sollen. Auch in sogenannten Zwei-Leiter-Messgeräten steht für die eigentliche Messtechnik im Messkopf nur ein geringer Strom zur Verfügung.
• Bekannte A/D-Wandlungsverfahren, wie beispielsweise Sigma-Delta-, SAR-, Flash- und Dual-Slope-Verfahren sind bei den vorstehend aufgezeigten Randbedingungen einer integrierten Messsignalerfassung ohne Totzeit und mit möglichst niedriger Stromaufnahme nicht einsetzbar. Grundsätzlich geeignet ist hier das Spannungs-Frequenz-Verfahren. Bei dieser Wandlung wird ein der Messspannung proportionaler Strom durch eine diskrete Ladungsmenge kompensiert. Dabei entsteht eine Impulsfolge, deren veränderliche Wandel-Frequenz proportional zur Messspannung, also ein Maß für diese ist. Durch die Zählung dieser Impulse während eines definierten Torzeitintervalls kann ein der Messspannung proportionaler digitaler Wert erzeugt werden. Durch die Zählung der Impulse über das Torzeitintervall liegt auch ein integrierendes Verfahren vor.
• Die erreichbare Auflösung und Genauigkeit der A/D-Wandlung der Messspannung wird durch die Höhe der Frequenz der Impulsfolge und die Dauer des Torzeitintervalls bestimmt. Typische Torzeitintervall-Dauern liegen bei 0,2 Sekunden. Um eine Auflösung von 19 bit, das heißt 2 ppm zu erreichen, ist eine maximale Frequenz der Impulsfolgen von ca. 2,5 MHz notwendig.
• Spannungs-Frequenz-Wandler mit einer derart hohen Frequenz zeigen allerdings Linearitätsprobleme und haben einen hohen Leistungsbedarf, was der oben genannten Randbedingung einer geringen Stromaufnahme diametral entgegensteht.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Verbesserung des bekannten Spannungs-Frequenz-Wandlungsverfahrens dahingehend, dass eine hohe Auflösung bei geringem Leistungsbedarf erzielt wird.
• Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Erkenntnis, dass aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Frequenz und Stromaufnahme eine Reduktion der Maximal-Frequenz des Spannungs-Frequenz-Wandlers eine Verringerung des Leistungsbedarfs und entsprechend die Impulszahl während eines Torzeitintervalls nur einen Grob-Digitalwert für das Messsignal ergeben. Zur Erhöhung der Auflösung dienen dann die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensschritte wie folgt:
• – Ermitteln der Rest-Zeitdifferenz zwischen einerseits dem ersten und/oder letzten Impuls innerhalb des aktuellen Torzeitintervalls und andrerseits dem Start- und/oder Endzeitpunkt dieses Torzeitintervalls mit gegenüber der Impulszahlbestimmung höherer Genauigkeit,
• – Ermitteln der Impuls-Zeitdifferenz zwischen einerseits letztem Impuls des vorhergehenden Torzeitintervalls und/oder letztem Impuls im aktuellen Torzeitintervall und andrerseits erstem Impuls im aktuellen Torzeitintervall und/oder erstem Impuls im folgenden Torzeitintervall mit gegenüber der Impulszahlbestimmung höherer Genauigkeit,
• – Bilden eines Toranfang- und/oder Torende-Fein-Digitalwertes aus dem Verhältnis zwischen Rest-Zeitdifferenz und Impuls-Zeitdifferenz, und
• – Bilden eines für das Messsignal repräsentativen Resultat-Digitalwertes aus einerseits Grob-Digitalwert und andrerseits Toranfang- und/oder Torende-Fein-Digitalwert.
• Die Auflösung kann also erhöht werden, indem zu Beginn und/oder am Ende jedes Torzeitintervalls der genaue Zeitpunkt der Torzeitgrenze zwischen zwei Impulsen festgestellt wird. Zu diesem Zweck wird zu Beginn und/oder am Ende des Torzeitintervalls die Periodendauer der die Torzeitintervall-Grenzen überstreichenden Impulsfolgen und die Zeit vom Zeitpunkt der Torzeitgrenzen bis zu den nächstliegenden Impulsen bestimmt. Das Verhältnis der Zeitdifferenz zwischen den Torzeitintervall-Grenzen zu den benachbarten Impulsen zur Periodendauer der die Torzeitgrenzen überstreichenden Impulsfolgen ergibt dann einen Fein-Digitalwert – nämlich einen Nachkomma-Wert –, der zu dem durch die Anzahl der im Torzeitin tervall gezählten Impulse definierten – im wesentlichen ganz-zahligen – Grob-Digitalwert hinzugenommen wird, um einen genauen, für das Messsignal repräsentativen Resultat-Digitalwert zu bilden.
• Die höhere Genauigkeit für die Ermittlung der Rest-Zeitdifferenz und Impuls-Zeitdifferenz im Bereich der Grenzen des Torzeitintervalls wird vorzugsweise durch die Zeit-Bestimmung auf der Basis einer hohen konstanten Taktfrequenz erreicht, was gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise durch die System-Taktfrequenz des den A/D-Wandler implementierenden Mikrocontrollers erfolgt. Da die die Systemtaktfrequenz bereitstellenden Mikrocontroller-Clocks eine deutlich geringere Stromaufnahme aufweisen als Spannungs-Frequenz-Wandler bei gleicher Frequenz wird die Gesamtstromaufnahme deutlich verringert.
• Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen A/D-Wandlungsverfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
• 1 ein schematisches Impuls-Diagramm zur Darstellung des Wandlungsprinzips,
• 2 ein Impulsdiagramm mit zugeordnetem Messsignal, und
• 3 ein Impulsdiagramm analog 2 in detaillierter Darstellung des Signalverhaltens an einer Torzeitgrenze.
• 1 zeigt auf der Zeitachse t eine Folge von Pulsen P, deren Frequenz und damit Pulsabstand tP proportional zu einer in diesem Diagramm nicht dargestellten Messspannung ist. Bei konstantem Impulsabstand tP liegt eine konstante Messspannung vor. Zur Bestimmung eines der Messspannung entsprechenden Digital-Wertes wird nun die Zahl der im aktuellen Torzeitintervall tG auftretenden Impulse P gezählt, es ergibt sich beispielsweise eine Gesamtanzahl N von Impulsen P. Diese Gesamtanzahl N ist begrenzt durch die Maximalfrequenz der Spannungs-Frequenz-Wandlung. Ein praktischer Wert, bei dem die geforderte geringe Stromaufnahme des Wandlers erreicht werden kann, liegt beispielsweise bei 20 kHz. Das zugehörige Torzeitintervall kann beispielsweise 0,2 Sekunden betragen, so dass eine Auflösung von 1/4000, also ca. 12 bit erreichbar ist. Dies bedeutet, dass ein typischer Messstrom-Bereich von –20 mA bis +20 mA auf 10 μA genau digital aufgelöst werden kann.
• Auf der Basis der Anzahl N der Impulse P bestimmt sich ein Grob-Digital-Wert zu GD = N – 1,zu dem noch ein Fein-Digitalwert FD zur Auflösungserhöhung bestimmt wird. Dies erfolgt durch eine Ermittlung der Rest-Zeitdifferenz tRa zwischen dem ersten Impuls P zur Zeit t₂ im aktuellen Torzeitintervall tG und dem davor liegenden Startzeitpunkt t₁ des Torzeitintervalls tG zu tRa = t2 – t1 und der Rest-Zeitdifferenz tRe zwischen dem letzten Impuls zum Zeitpunkt t₃ innerhalb des Torzeitintervalls tG und dem Endzeitpunkt t₄ des Torzeitintervalls tG zu tRe = t4 – t3.
• Ferner wird die Impulszeitdifferenz tPa zwischen dem letzten Impuls P zur Impulszeit t₀ im vorhergehenden Torzeitintervall und dem ersten Impuls zur Zeit t₂ im aktuellen Torzeitintervall tG zu tPa = t2 – t0 bestimmt. Gleichermaßen wird die Impuls-Zeitdifferenz zwischen dem letzten Impuls zur Zeit t₃ im aktuellen Torzeitintervall tG und dem ersten Impuls P zum Zeitpunkt t₅ im darauffolgenden Torzeitintervall zu tPe = t5 – t3 bestimmt.
• Die vorstehend genannten Zeitdifferenzen werden mit einem Zähler ermittelt, der mit dem Systemtakt des Mikrocontrollers angesteuert wird, auf dem das erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandlungsverfahren implementiert ist. Dieser Zähler wird zu den Zeitpunkten t₀ bzw. t₃ gestartet und die entsprechenden Zeiten t₁, t₂, t₄ und t₅ werden in Form eines Zahlenwertes ausgelesen.
• Aus den entsprechenden Rest-Zeitdifferenzen tRa, tRe und Impuls-Zeitdifferenz tPa und tPe wird der vorstehend erwähnte Toranfang-Fein-Digitalwert FDa und Torende-Fein-Digitalwert FDe bestimmt zu FDa = tRa/tPa = (t2 – t1)/(t2 – t0) und Fde = tRe/tPe = (t4 – t3)/(t5 – t3).
• Der für das Messsignal repräsentative Resultat-Digitalwert RD kann anschließend aus dem oben angegebenen Grob-Digitalwert GD und den vorstehenden Toranfang- und Torende-Fein-Digitalwerten FDa, FDe gebildet werden gemäß RD = GD + FDa + FDe.
• 2 ist nun ein Zeitdiagramm, bei dem neben den zeitlich aufgrund der Spannungs-Frequenz-Wandlung erzeugten Impulsen P auch ein einer A/D-Wandlung zu unterwerfendes Messsignal UM aufgetragen sind. Entsprechend der sich zeitlich ändernden Messspannung UM ändert sich die Impuls-Frequenz und damit die Impulsdauer tP, wie sich beispielhaft an den beiden in den Torzeitintervallen tG1 bzw. tG3 eingetragenen Impulsdauern tP erkennen lässt.
• Im unteren Teil der 2 sind nun das Torzeitintervall tG3 und die angrenzenden Bereich der Torzeitintervalle tG2 und tG4 zeitlich gestreckt dargestellt. Es treten wiederum analog 1 Impulse P zu den Zeiten t₀, t₂, t₃ und t₅ auf. Die startseitigen und endseitigen Rest-Zeitdifferenzen tRa bzw. tRe ergeben sich wiederum zu tRa = t2 – t1 und tRe = t4 – t3.
• Die startseitigen und endseitigen Impuls-Zeitdifferenzen tPa und tPe ergeben sich zu tPa = t2 – t0 und tPe = t5 – t3.
• Wie in 2 auf der unteren gestreckten Zeitachse t angedeutet ist, können die vorstehenden Zeitdifferenzen durch eine Zählung der von der System-Taktfrequenz des Mikrocontrollers abgeleiteten, höher frequenten Zählimpulsen C bestimmt werden, so dass sich für die Rest- und Impuls-Zeitdifferenzen entsprechende Impulszahlen n(tPa), n(tRa), n(tPe) und n(tRe) ergeben. Entsprechend kann dann der Resultat-Digitalwert auf der Basis der in einem Torzeitintervall, z. B. tG3 gemessenen Zahl der Impulse P und G bestimmt werden zu RD = (N – 1) + n(tRa)/n(tPa) + n(tRe)/n(tPe)
• Die Subtraktion von 1 beim Grob-Digitalwert GD ist notwendig, da die Zahl der Impulse P in einem Torzeitintervall um 1 größer als die Zahl der davon abgesteckten Impulsintervalle ist.
• Falls für eine Messperiode vier Torzeitintervalle t1 bis t4 zusammengenommen werden, so ergibt sich der für das Messsignal UM repräsentative Resultat-Digitalwert aus der Beziehung RD = N (tG1 bis tG4) – 1 + n(tRa1)/n(tPa1) + n(tRe4)/n(tPe4).
• Ein Problem bei der Bestimmung der tatsächlichen Impulslänge tP liegt nun darin, dass dies nur dann möglich ist, wenn sich das Messsignal UM am Spannungs-Frequenz-Wandler zum Zeitpunkt der Messzeitgrenzen zwischen den Torzeitintervallen tG1 bis tG4 nicht ändert. Dies ist jedoch bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gerade nicht der Fall, wie dies in 3 in zeitlich gestreckter Version anhand der Grenze zwischen den Torzeitintervallen tG2 und tG3 verdeutlicht wird. Dort liegt eine Sprungänderung der Messspannung UM. Erkennbar ist am Anfang der Torzeitintervalle (hier tG1 und tG3) auch die Varianz der Impulsdauern tP in der Impulsfolge des Frequenzsignals OF besonders groß und führt zu falschen Messwerten. Daraus folgt für diesen Anwendungsfall, dass der jeweilige Fein-Digitalwert FD nur am Ende der Messzeit, nicht jedoch über die Torintervallgrenzen hinweg bestimmt werden darf. Die vorstehend erörterte Fehlerquelle wird deutlich aus dem in 3 eingetragenen integrierten Frequenzsignal UF. Hier unterscheiden sich die fiktiven Impuls-Zeitdifferenzen tPe2 am Ende des Torzeitintervalls tG2 und tPa3 am Anfang des Torzeitintervalls tG3 besonders drastisch. Die Verwendung des deutlich zu langen Wertes tPa3 würde daher zu einem falschen Toranfang-Fein-Digitalwert führen.
• Aus den vorstehenden Gründen werden die Impuls-Zeitdifferenzen tPe2 und tPa3, wie sie für die Bestimmung der entsprechenden Fein-Digitalwerte FDa und FDe verwendet werden, wie folgt genähert:
  Für die Impuls-Zeitdifferenz zwischen dem letzten Impuls P im Torzeitintervall tG2 und dem ersten Impuls P im darauffolgenden Torzeitintervall tG3 wird die Impuls-Zeitdifferenz tPe2' zwischen dem vorletzten und letzten Impuls P im Torzeitintervall tG2 herangezogen.
• Der entsprechende Torende-Fein-Digitalwert FDe errechnet sich dann aus FDe = tRe2/tPe2'.
• Entsprechend wird die drastisch falsche Impuls-Zeitdifferenz am Anfang des Torzeitintervalls tG3 ersetzt durch einen angenäherten Toranfang-Fein-Digitalwert FDa angenähert über die Beziehung FDa = 1 – FDe.
• Diese Näherung führt zu einer ausreichenden Genauigkeit des Wandlungsverfahrens, wenn sich das Messsignal UM am Ende der Messzeit nicht mehr signifikant ändert.

Claims (8)

1. Verfahren zur Analog-Digital-Wandlung eines Messsignals (UM) auf der Basis einer Spannungs-Frequenz-Wandlung mit folgenden Verfahrensschritten: – Wandeln der Messspannung (UM) während eines aktuellen Torzeitintervalls (TG) in Impulse (P) einer veränderlichen Wandel-Frequenz, die ein Maß für die Messspannung (UM) ist, – Bestimmen der Zahl (N) der während des aktuellen Torzeitintervalls (TG) auftretenden Impulse (P) als Grob-Digitalwert (GD) für das Messsignal (UM), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Ermitteln der Rest-Zeitdifferenz (tRa, tRe) zwischen einerseits dem ersten und/oder letzten Impuls (P) innerhalb des aktuellen Torzeitintervalls (TG) und andrerseits dem Start- und/oder Endzeitpunkt (t₁, t₄) dieses Torzeitintervalls (TG) mit gegenüber der Impulszahlbestimmung höherer Genauigkeit, – Ermitteln der Impuls-Zeitdifferenz (tPa, tPe) zwischen einerseits letztem Impuls (P) des vorhergehenden Torzeitintervalls und/oder letztem Impuls (P) im aktuellen Torzeitintervall (TG) und andrerseits erstem Impuls (P) im aktuellen Torzeitintervall und/oder erstem Impuls im folgenden Torzeitintervall mit gegenüber der Impulszahlbestimmung höherer Genauigkeit, – Bilden eines Toranfang- und/oder Torende-Fein-Digitalwertes (FDa, FDe) aus dem Verhältnis zwischen Rest-Zeitdifferenz (tRa, tRe) und Impuls-Zeitdifferenz (tPa, tPe), und – Bilden eines für das Messsignal repräsentativen Resultat-Digitalwertes (RD) aus einerseits Grob-Digitalwert (GD) und andrerseits Toran fang- und/oder Torende-Fein-Digitalwert (FDa, FDe).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Torzeitintervalle (TG) ohne Totzeit-Pausen aufeinander folgen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der Torzeitintervalle (TG) etwa 0,2 s beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalfrequenz der Spannungs-Frequenz-Wandlung etwa 20 kHz beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Rest- und Impuls-Zeitdifferenz (tRa, tRe, tPa, tPe) auf Basis einer hohen konstanten Taktfrequenz vorgenommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Implementierung auf einem Mikrocontroller, wobei die Messung von Rest- und Impuls-Zeitdifferenz (tRa, tRe, tPa, tPe) auf Basis der System-Taktfrequenz des Mikrocontrollers vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impuls-Zeitdifferenz (tPe) zwischen dem letzten Impuls (P) im aktuellen (tG2) und dem ersten Impuls (P) im folgenden Torzeitintervall (TG3) durch eine Ermittlung der Impuls-Zeitdifferenz (tPe2') zwischen dem vorletzten und letzten Impuls (P) im aktuellen Torzeitintervall (TG2) angenähert und der angenäherte Torende-Fein-Digitalwert FDe aus dem Verhältnis von Rest-Zeitdifferenz (tRe2) und angenäherter Impuls-Zeitdifferenz (tRe2') ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des der Impuls-Zeitdifferenz (tPa) zwischen dem letzten Impuls (P) im vorhergehenden (tG2) und dem ersten Impuls (P) im aktuellen Torzeitintervall (tG3) entsprechenden Toranfang-Fein-Digitalwertes FD_a aus dem Torende-Feindigitalwert FDe über die Beziehung FDa = 1 – FDeangenähert wird.