專利名稱：校正模擬放大器的輸出信號(hào)的方法、放大器模塊和測(cè)量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號(hào)在信號(hào)處理部件中被放大、變換并被發(fā)送至輸出設(shè)備的方法、放大器模塊和測(cè)量設(shè)備。
背景技術(shù)：
模擬放大器，特別是運(yùn)算放大器和差分放大器被用在信號(hào)處理部件中，在所述信號(hào)處理部件中，對(duì)例如溫度、濕度、力、或壓力傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行變換和處理。在大多數(shù)情況下，傳感器和信號(hào)處理部件結(jié)合成所謂的測(cè)量設(shè)備并用在工業(yè)環(huán)境中。對(duì)信號(hào)處理部件有著嚴(yán)格要求的測(cè)量設(shè)備的一種重要的類型是力測(cè)量設(shè)備，特別是重量分析測(cè)量設(shè)備。
諸如熱分析儀器、平衡、濕度測(cè)量?jī)x器等等此類的重量分析測(cè)量設(shè)備包括基于不同設(shè)計(jì)的力測(cè)量單元，所述不同設(shè)計(jì)取決于對(duì)于它們的精確度和測(cè)量分辨率的要求。相對(duì)經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)的典型實(shí)例是具有變形體和應(yīng)變計(jì)的力測(cè)量單元。
通常，基于應(yīng)變計(jì)的力測(cè)量單元和測(cè)量設(shè)備依照電阻測(cè)量的原理運(yùn)行。它們利用了這個(gè)現(xiàn)象應(yīng)變計(jì)的電阻與形變，即長(zhǎng)度方面的相對(duì)變化成比例，而長(zhǎng)度變化又與作用于力測(cè)量單元的力成比例。為了執(zhí)行準(zhǔn)確的測(cè)量，應(yīng)變計(jì)常常以橋接電路的形式來(lái)加以連接。
橋接電路，以及半橋接電路，作為電路布置屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)，其中，用在橋接電路中的至少一個(gè)電阻器在其電阻值方面是可變的。這個(gè)條件被已知傳感器中的許多滿足了。例如，應(yīng)變計(jì)的電阻根據(jù)它們所承受的形變而發(fā)生改變。
因?yàn)槌杀镜脑虿榱撕?jiǎn)單起見(jiàn)，一般為測(cè)量設(shè)備選擇DC電源，因而也選擇DC放大，盡管由于眾所周知的技術(shù)限制，這個(gè)選擇常常有缺點(diǎn)，特別是在模擬放大器中的諸如熱電壓誤差和電壓偏移誤差此類的DC電壓誤差以及在整個(gè)電路中的過(guò)多的低頻噪音。如果在所要求的從電阻器橋通向模擬放大器的電纜的連接接頭處涉及不同的材料和溫度，則熱電壓會(huì)在所述連接接頭處出現(xiàn)。這些誤差需要保持在可接受的公差限度之下，或者換句話說(shuō)，測(cè)量信號(hào)需要清楚地突出于誤差電壓。
上述測(cè)量誤差，諸如伴隨在電路鏈中的模擬放大器中的熱電效應(yīng)、噪音和溫度效應(yīng)此類，常常是通過(guò)額外的AC調(diào)制和放大技術(shù)來(lái)減少的。這種調(diào)制和放大技術(shù)也在EP 0760936B2中公開(kāi)了。載波頻率發(fā)生器產(chǎn)生提供給橋接電路的AC電壓信號(hào)(方波AC電壓信號(hào))。該橋的輸出信號(hào)經(jīng)由對(duì)稱差分放大器傳遞到解調(diào)器。采用轉(zhuǎn)換(changeover)開(kāi)關(guān)形式的解調(diào)器是由載波頻率發(fā)生器來(lái)控制的。
具有開(kāi)關(guān)放大器的模擬放大器電路被用在許多應(yīng)用中。在這種布置中，來(lái)自測(cè)量橋接電路的兩個(gè)信號(hào)在一個(gè)測(cè)量相位期間借助于兩個(gè)模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)而各自被傳送到一個(gè)運(yùn)算放大器。然而，在第二測(cè)量相位期間，信號(hào)連接被交錯(cuò)(cross over)，由此每一個(gè)信號(hào)被分別供應(yīng)到另一放大器。這種傳感器信號(hào)的交替轉(zhuǎn)換被再次反轉(zhuǎn)，例如采用與輸入開(kāi)關(guān)同相的另外兩個(gè)模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，替換地將兩個(gè)放大的傳感器信號(hào)放在直接的和交錯(cuò)的路徑上。
這些概念提供了許多優(yōu)點(diǎn)。
首先，運(yùn)算放大器的偏移電壓漂移可以得到抑制。在非開(kāi)關(guān)差分放大器中，在差分放大器的兩個(gè)輸出信號(hào)已經(jīng)彼此相減之后，除了放大的傳感器信號(hào)之外，輸出信號(hào)還是包含差分放大系數(shù)與兩個(gè)運(yùn)算放大器的偏移電壓差的乘積。在開(kāi)關(guān)差分放大器中，第一運(yùn)算放大器的偏移電壓在一個(gè)相位中被加到第一傳感器信號(hào)，而第二運(yùn)算放大器的偏移電壓則被加到第二傳感器信號(hào)。由于在第二測(cè)量相位期間傳感器信號(hào)在被提供給運(yùn)算放大器之前被交錯(cuò)，相同的傳感器信號(hào)現(xiàn)在接收另一運(yùn)算放大器的相應(yīng)的偏移電壓。因此，開(kāi)關(guān)放大器的偏移電壓差在每一個(gè)測(cè)量相位中改變它的極性。如果測(cè)量相位跟隨彼此，例如以足夠高的頻率，那么借助于低通濾波器該極性改變將快得足以允許將它們從信號(hào)中除掉。
作為第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)，1/f噪音可以得到抑制。每一個(gè)運(yùn)算放大器都在特定頻率閾值以下在噪音方面出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，該增長(zhǎng)近似地遵循1/f關(guān)系。在許多應(yīng)用中，例如在具有應(yīng)變計(jì)力測(cè)量單元的力測(cè)量設(shè)備中，只有靜態(tài)的或改變很慢的信號(hào)是所關(guān)心的，例如在從0到1Hz的范圍內(nèi)的。對(duì)于非開(kāi)關(guān)差分放大器，在這些低頻上占優(yōu)勢(shì)的1/f噪音被疊加在測(cè)量信號(hào)上，由此放大的傳感器信號(hào)的質(zhì)量受到嚴(yán)重?fù)p害。對(duì)于開(kāi)關(guān)差分放大器，在差分放大器或傳感器的輸入端上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)導(dǎo)致靜態(tài)的低頻的傳感器信號(hào)在該頻率范圍中與開(kāi)關(guān)控制器的轉(zhuǎn)換信號(hào)合并(folded)，其中，所述傳感器信號(hào)被升高到轉(zhuǎn)換信號(hào)的頻率。如果后者遠(yuǎn)大于1/f頻率閾值，那么僅僅運(yùn)算放大器的白噪音被疊加在合并的傳感器信號(hào)上，在該頻率范圍中白噪音在該點(diǎn)處小很多。白噪音在工程科學(xué)和自然科學(xué)中被稱為物理噪音，其振幅在功率密度譜上恒定。隨機(jī)信號(hào)的功率是通過(guò)在整個(gè)電阻(從負(fù)無(wú)窮大到正無(wú)窮大)上求它的功率密度譜的積分來(lái)獲得的。因此，在理論的意義上白噪音具有無(wú)窮大的信號(hào)能量。但是，在實(shí)際情況中，白噪音的功率密度在很高的頻率上衰退。
對(duì)于在差分放大器的輸出端上的第二轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，傳感器信號(hào)是關(guān)于它們?cè)俅魏喜⒌紻C或低頻的域中的頻率特性的。此外，運(yùn)算放大器的1/f噪音被第二轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)向上合并到轉(zhuǎn)換頻率。隨后這噪音可以借助于低通濾波器來(lái)抑制。
上面說(shuō)明的概念對(duì)于任何所希望形狀的調(diào)制都是基本有效的。傳感器信號(hào)例如可以在差分放大器的輸入端上加以正弦調(diào)制。因此在差分放大器的輸出端上，信號(hào)可以借助于正弦控制的解調(diào)器來(lái)恢復(fù)。
在例如AC電壓源是有效的情況下，或者如果首先要考慮長(zhǎng)連接距離上的信號(hào)保存，就選擇正弦信號(hào)。在實(shí)踐中，采用方波信號(hào)的調(diào)制已經(jīng)被接受，因?yàn)閷?duì)電路設(shè)計(jì)的較低技術(shù)要求導(dǎo)致了低成本。這種類型的調(diào)制常常借助于模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于方波AC調(diào)制，例如借助于模擬開(kāi)關(guān)，放大器的輸入信號(hào)瞬時(shí)地改變。然而，由于模擬放大器只具有受限的帶寬和上升時(shí)間，它們的輸出信號(hào)不能夠立即跟隨輸入信號(hào)。如果上升時(shí)間是限制要素，那么放大器輸出信號(hào)就近似于時(shí)間的線性函數(shù)而斜升。如果帶寬是限制因素，那么放大器輸出信號(hào)就將經(jīng)歷瞬態(tài)振蕩并具有近似指數(shù)的衰減。無(wú)論如何，放大器輸出信號(hào)等于放大器輸入信號(hào)與放大因數(shù)的乘積的假定在瞬態(tài)振蕩期間不再為真。然而該假定是基于恒定放大系數(shù)的。只要帶寬和上升時(shí)間保持恒定，在放大器輸出信號(hào)中由它們所導(dǎo)致的傳遞誤差就可以看作恒定的。這些傳遞誤差可以例如包括在是固定的數(shù)量的比例系數(shù)中并將因而消失。
最近，用于力測(cè)量單元的變形體的高度均勻的材料、先進(jìn)制造方法以及精確應(yīng)變計(jì)已經(jīng)使得制造同樣基于應(yīng)變計(jì)技術(shù)的高分辨率的力測(cè)量單元成為可能。為了利用這些高分辨率的力測(cè)量單元的性能，信號(hào)處理部件不得不加以適配以滿足新要求。
對(duì)具有相同構(gòu)造的不同模擬放大器的廣泛連續(xù)研究得出結(jié)論從一個(gè)部件到下一個(gè)部件的模擬放大器的帶寬和上升時(shí)間有時(shí)顯示出結(jié)果的到處散布，另外，它們?cè)诳杀容^的溫度條件下表現(xiàn)不同(參見(jiàn)圖11)。在這上下文中術(shù)語(yǔ)“在部件之間散布”意思是在具有相同構(gòu)造的元件在表現(xiàn)上彼此相互偏差。因而所述研究已經(jīng)得出結(jié)論瞬態(tài)衰減的速率是可變的，因此在振幅方面的合成誤差也是可變的。因此，比例系數(shù)也是同樣可變的，并同樣受制于部件之間的散布和溫度的影響。這些傳遞誤差必須通過(guò)對(duì)執(zhí)行部件之間的散布進(jìn)行個(gè)別平衡和對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)去除。這種類型的程序大大增加了成本，并使得制造工藝和產(chǎn)品更加昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是創(chuàng)建一種用于校正傳遞誤差的方法，該傳遞誤差是由至少一個(gè)模擬放大器的物理上受限的工作能力引起的，所述至少一個(gè)模擬放大器是測(cè)量設(shè)備的信號(hào)處理部件的一部分。進(jìn)一步的目的是創(chuàng)建根據(jù)該方法工作的放大器模塊和測(cè)量設(shè)備。
滿足這個(gè)目的的解決方案是通過(guò)具有在權(quán)利要求1、權(quán)利要求11、以及權(quán)利要求12中分別描述的特征的方法、放大器模塊、以及測(cè)量設(shè)備來(lái)提供的。該發(fā)明有利的進(jìn)一步展開(kāi)的實(shí)施例在附加的權(quán)利要求中描述。
根據(jù)該發(fā)明的方法用來(lái)校正模擬放大器的傳遞誤差，該傳遞誤差起因于在跟隨由開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的放大器輸入信號(hào)中的突然間斷，即跳躍時(shí)，模擬放大器物理上受限的能力。信號(hào)處理部件包括至少一個(gè)調(diào)制器和/或多路復(fù)用器、模擬放大器以及跟隨該模擬放大器之后的至少一個(gè)處理級(jí)，其中a)根據(jù)開(kāi)關(guān)跳躍出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，在模擬放大器之后的處理級(jí)在預(yù)定超時(shí)相位期間與所述模擬放大器分離，和/或b)根據(jù)開(kāi)關(guān)跳躍出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，在模擬放大器之后的處理級(jí)在預(yù)定超時(shí)相位期間被阻塞。
用于控制超時(shí)的布置包括用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)跳躍并因而用于觸發(fā)超時(shí)相位的裝置。如果測(cè)量裝置配備有調(diào)制器和/或包括轉(zhuǎn)換控制器的多路復(fù)用器，那么超時(shí)控制器的超時(shí)信號(hào)就可以根據(jù)轉(zhuǎn)換控制器的轉(zhuǎn)換信號(hào)來(lái)觸發(fā)。
由于模擬放大器部分地顯示出，從一個(gè)部件到下一個(gè)部件結(jié)果到處散布，另外，由于它們?cè)诳杀容^的溫度條件下表現(xiàn)不同，超時(shí)相位的持續(xù)時(shí)間優(yōu)選地根據(jù)該模擬放大器的上升時(shí)間來(lái)預(yù)定。如果超時(shí)相位的長(zhǎng)度等于模擬放大器的上升時(shí)間與2和7之間的一個(gè)系數(shù)的乘積，就可以確信，在跟隨該模擬放大器之后的處理級(jí)的信號(hào)輸出之前，部件之間的散布以及在放大器輸出信號(hào)中溫度效應(yīng)得到很大程度上的消除。模擬放大器的上升時(shí)間可以根據(jù)轉(zhuǎn)換速率(slew rate)(單位為v/μs)來(lái)計(jì)算，轉(zhuǎn)換速率通常列在放大器制造商的數(shù)據(jù)單中。
如果帶寬是放大器的限制要素，輸出信號(hào)就將近似地符合具有特征時(shí)間常數(shù)的指數(shù)函數(shù)。理想的是，超時(shí)相位的長(zhǎng)度等于模擬放大器的時(shí)間常數(shù)與4和10之間的一個(gè)系數(shù)的乘積。所述時(shí)間常數(shù)可以例如通過(guò)計(jì)算或測(cè)量來(lái)得到。
因此作為一個(gè)切合實(shí)際的解決方案，超時(shí)相位的長(zhǎng)度等于該放大器的上升時(shí)間或時(shí)間常數(shù)與2到10之間的一個(gè)系數(shù)的乘積，在每一種情況中該決策是由這兩個(gè)中值比較大的那個(gè)來(lái)支配的。
在該發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，在所述模擬放大器之后的處理級(jí)是借助于布置在所述模擬放大器和所述處理級(jí)之間的開(kāi)關(guān)來(lái)與所述模擬放大器分離的，其中所述開(kāi)關(guān)是通過(guò)超時(shí)控制器電路來(lái)激勵(lì)的。
在本發(fā)明更進(jìn)一步的實(shí)施例中，信號(hào)處理部件包括在模擬放大器之后的解調(diào)開(kāi)關(guān)。所述調(diào)制器的轉(zhuǎn)換控制器激勵(lì)用于被調(diào)制信號(hào)的同步解調(diào)的解調(diào)開(kāi)關(guān)，并且超時(shí)控制器通過(guò)發(fā)出超時(shí)信號(hào)，在超時(shí)相位期間將解調(diào)開(kāi)關(guān)保持在高電阻水平或高電阻狀態(tài)。
當(dāng)然，在模擬放大器之后的處理級(jí)可以是模/數(shù)變換器電路，其中，超時(shí)相位是通過(guò)由超時(shí)控制器激勵(lì)觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生的，并且其中，所述觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)在超時(shí)相位期間中斷A/D變換所必需的觸發(fā)信號(hào)。
如果在模擬放大器之后的處理級(jí)是模/數(shù)變換器電路，那么超時(shí)相位就可以通過(guò)將所述超時(shí)控制器與觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器結(jié)合在一起來(lái)產(chǎn)生，所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器生成A/D變換所必需的觸發(fā)信號(hào)。采用對(duì)觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器和超時(shí)控制器的這種組合控制，由超時(shí)控制器生成的超時(shí)信號(hào)在超時(shí)相位的持續(xù)時(shí)間期間疊加在觸發(fā)信號(hào)上，或者該觸發(fā)信號(hào)的生成被抑制或者被有延遲地激活。
對(duì)于該調(diào)制器和/或多路復(fù)用器來(lái)說(shuō)，配備轉(zhuǎn)換控制器是有利的，以便超時(shí)控制器的超時(shí)信號(hào)可以根據(jù)該轉(zhuǎn)換控制器的轉(zhuǎn)換信號(hào)來(lái)生成。
通常，將至少一個(gè)傳感器的輸出信號(hào)發(fā)送到放大器作為放大器輸入信號(hào)。當(dāng)然，借助于多路復(fù)用器也可以將至少兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)順序地發(fā)送給至少一個(gè)模擬放大器。
在該發(fā)明的有利實(shí)施例中，放大器輸入信號(hào)或傳感器的輸入電壓優(yōu)選地是借助于調(diào)制器調(diào)制為方波電壓信號(hào)。
上述信號(hào)處理模塊也可以設(shè)計(jì)成供大量測(cè)量設(shè)備中使用的放大器模塊。這種放大器模塊或集成放大器模塊包括至少一個(gè)調(diào)制器和/或具有至少一個(gè)轉(zhuǎn)換控制器的多路復(fù)用器、在該鏈中跟隨在調(diào)制器和/或多路復(fù)用器之后的至少一個(gè)模擬放大器、以及跟隨該模擬放大器之后的至少一個(gè)處理級(jí)，其中，該處理級(jí)包括至少一個(gè)超時(shí)裝置，用來(lái)以預(yù)定超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間在放大器輸出信號(hào)中產(chǎn)生超時(shí)相位。
所述信號(hào)處理部件也可以布置在除了所述至少一個(gè)信號(hào)處理部件之外還包括至少一個(gè)傳感器的測(cè)量設(shè)備中。所述信號(hào)處理部件包括調(diào)制器和/或具有轉(zhuǎn)換控制器的多路復(fù)用器。該調(diào)制器和/或多路復(fù)用器后面是至少一個(gè)模擬放大器，所述放大器后面是至少一個(gè)處理級(jí)。所述信號(hào)處理部件還包括至少一個(gè)超時(shí)裝置，用來(lái)以預(yù)定超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間在放大器輸出信號(hào)中產(chǎn)生超時(shí)相位。
在所述測(cè)量設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例中，所述調(diào)制器直接布置在所述模擬放大器的前面，用于對(duì)放大器輸入信號(hào)的調(diào)制，以便避免上述關(guān)于偏移電壓漂移和1/f噪音的問(wèn)題。
在所述測(cè)量設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例中，在調(diào)制器用于對(duì)傳感器的電源電壓的調(diào)制并因而用于對(duì)放大器輸入信號(hào)的調(diào)制的布置中，所述調(diào)制器布置在所述至少一個(gè)傳感器的前面。
在該發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例中，所述超時(shí)設(shè)備包括屬于信號(hào)處理設(shè)備的開(kāi)關(guān)和連接在所述開(kāi)關(guān)上的超時(shí)控制器。理想的是，所述轉(zhuǎn)換控制器的轉(zhuǎn)換信號(hào)具有適合于激勵(lì)所述超時(shí)控制器的特性，從而不需要任何額外元件用于對(duì)輸入信號(hào)中開(kāi)關(guān)跳躍的檢測(cè)。
所述超時(shí)控制器可以采用不同的方式產(chǎn)生控制信號(hào)。可以例如通過(guò)額外信號(hào)發(fā)生器和將信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)與轉(zhuǎn)換信號(hào)組合在一起的異或元件來(lái)執(zhí)行生成超時(shí)信號(hào)的功能。將信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)和轉(zhuǎn)換信號(hào)送到所述異或元件的信號(hào)輸入端子。所述異或元件執(zhí)行所謂的異或功能，這在U.Tietze，Ch.Schenk，“Halbleiterschaltungs-technik”(半導(dǎo)體電路設(shè)計(jì))，第12版，第1次重印，Springer Verlag，Berlin 2002，第七章中進(jìn)行了描述。輸入值一旦不相等，所述異或元件的輸出就呈現(xiàn)值1。因而，超時(shí)相位和相位持續(xù)時(shí)間是通過(guò)信號(hào)發(fā)生器信號(hào)相對(duì)于轉(zhuǎn)換信號(hào)的相位偏移來(lái)控制的。
代替上述實(shí)現(xiàn)該發(fā)明的方式的是，當(dāng)然也可以借助于用于檢測(cè)信號(hào)跳躍出現(xiàn)的適合的檢測(cè)器來(lái)監(jiān)視放大器的輸入信號(hào)。檢測(cè)器一旦檢測(cè)到開(kāi)關(guān)跳躍，就將相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送到超時(shí)控制器，觸發(fā)超時(shí)相位。
在更進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述測(cè)量設(shè)備包括解調(diào)開(kāi)關(guān)，其布置在電路鏈中跟隨所述模擬放大器之后。連接到所述調(diào)制器的轉(zhuǎn)換控制器上的解調(diào)開(kāi)關(guān)，包括集成在所述解調(diào)開(kāi)關(guān)中的高阻抗開(kāi)關(guān)級(jí)，或者所述解調(diào)開(kāi)關(guān)可以保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)。所述解調(diào)開(kāi)關(guān)連接到超時(shí)控制器上，其中，所述轉(zhuǎn)換控制器的轉(zhuǎn)換信號(hào)具有適合于激勵(lì)該高阻抗開(kāi)關(guān)級(jí)的超時(shí)控制的特性，并且由所述超時(shí)控制器生成的超時(shí)信號(hào)可以與該轉(zhuǎn)換信號(hào)結(jié)合或疊加在其上。
如果在所述測(cè)量設(shè)備中，跟隨所述模擬放大器之后的處理級(jí)是模/數(shù)變換器電路，則所述超時(shí)裝置就可以是觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)和連接在所述觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)上的超時(shí)控制器，其中，所述觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)中斷A/D變換所必需的觸發(fā)信號(hào)。理想的是，在這種情況中，所述轉(zhuǎn)換控制器的轉(zhuǎn)換信號(hào)也用于激勵(lì)或觸發(fā)所述超時(shí)控制器。
對(duì)于在模擬放大器之后的處理設(shè)備是模/數(shù)變換器電路的測(cè)量設(shè)備，在所述測(cè)量設(shè)備中的更進(jìn)一步的超時(shí)裝置可以包括組合在一起的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器和超時(shí)控制器，所述超時(shí)控制器用來(lái)生成A/D變換所必需的一個(gè)或更多觸發(fā)信號(hào)，其中，所述轉(zhuǎn)換控制器的轉(zhuǎn)換信號(hào)適合于激勵(lì)所述超時(shí)控制器，并且所述超時(shí)控制器用來(lái)釋放或阻塞所述觸發(fā)信號(hào)。
所述測(cè)量設(shè)備的所述至少一個(gè)傳感器可以是濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、具有應(yīng)變計(jì)的力測(cè)量單元、或依照電磁力補(bǔ)償原理的力測(cè)量單元。
根據(jù)所述信號(hào)處理部件的設(shè)計(jì)，放大器輸出信號(hào)在其已經(jīng)通過(guò)對(duì)跳躍進(jìn)行超時(shí)而得到“清除”之后，可以通過(guò)多種措施而變?yōu)槠谕莵?lái)自理想模擬或數(shù)字放大器的放大器輸出信號(hào)的形式。在模擬類型的信號(hào)處理部件中，適配放大器輸出信號(hào)的最簡(jiǎn)單方式是借助于R/C低通元件。這是和經(jīng)典的取樣與保持概念一致的。當(dāng)然，如果超時(shí)相位中缺少的信號(hào)部分不是被橋接的而是設(shè)置為固定電壓，例如0.0伏，也可以通過(guò)由在電路鏈中跟隨A/D變換器之后的處理器施加校正系數(shù)，來(lái)校正離開(kāi)A/D變換器的數(shù)字化測(cè)量信號(hào)。
在高精確度的測(cè)量設(shè)備中，迄今還必須使用具有很高精確度的放大器，以便滿足所要求的準(zhǔn)確度。這些精確且快速的放大器非常昂貴并且消耗大量的電流。因此使用根據(jù)該發(fā)明的方法提供了一種沒(méi)有問(wèn)題的方式，來(lái)使用非常經(jīng)濟(jì)且精確度稍差的放大器而不損害測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確度。這在這樣的情況中特別真實(shí)信號(hào)處理部件具有在電路鏈中彼此跟隨的幾個(gè)放大器并且所有放大器的誤差都是借助于在所述放大器鏈的末端的單個(gè)超時(shí)裝置來(lái)消除的。
當(dāng)然，每一個(gè)單獨(dú)的放大器也可以具有它自己的超時(shí)裝置。理想的是，這種類型的設(shè)計(jì)概念實(shí)現(xiàn)為用于執(zhí)行前述方法的集成放大器模塊。


以下參考附圖來(lái)更詳細(xì)地說(shuō)明該發(fā)明，其中圖1示意地說(shuō)明了一個(gè)測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備具有以惠斯通電橋形式指示的傳感器，并具有裝備有超時(shí)裝置的信號(hào)處理部件，該超時(shí)裝置包含開(kāi)關(guān)和連接在該開(kāi)關(guān)上的超時(shí)控制器；圖2示出了圖1的測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備具有包括信號(hào)發(fā)生器和異或元件的超時(shí)控制器；圖3示意地示出了一個(gè)測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備具有以惠斯通電橋形式指示的傳感器并具有裝備有超時(shí)裝置的信號(hào)處理部件，該超時(shí)裝置包含集成在解調(diào)器中的高阻抗開(kāi)關(guān)級(jí)，以及連接在該解調(diào)器上的超時(shí)控制器；圖4說(shuō)明了在圖1、2和3中出現(xiàn)的最重要的信號(hào)波形；圖5示意地說(shuō)明了一個(gè)測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備具有以惠斯通電橋的形式指示的傳感器或者具有力測(cè)量單元，并具有裝備有超時(shí)裝置的信號(hào)處理部件，該超時(shí)裝置包含觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)和連接在該觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)上的超時(shí)控制器，其中該觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)中斷A/D變換所必需的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器的觸發(fā)信號(hào)；圖6說(shuō)明了在圖5中出現(xiàn)的最重要的信號(hào)波形；圖7示意地示出了一個(gè)測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備具有以惠斯通電橋的形式指示的傳感器或者具有力測(cè)量單元，并具有裝備有超時(shí)裝置的信號(hào)處理部件，該超時(shí)裝置包含觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)與超時(shí)控制器的結(jié)合，其中該超時(shí)控制器導(dǎo)致觸發(fā)信號(hào)的釋放或阻塞；
圖8說(shuō)明了在圖7中出現(xiàn)的最重要的信號(hào)波形；圖9示意地說(shuō)明了一個(gè)測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備具有幾個(gè)傳感器或力測(cè)量單元，并具有裝備有多路復(fù)用器和超時(shí)裝置的信號(hào)處理部件，該超時(shí)裝置表現(xiàn)為觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)和超時(shí)控制器的結(jié)合，其中該超時(shí)控制器導(dǎo)致觸發(fā)信號(hào)的釋放或阻塞；圖10說(shuō)明了在圖9中出現(xiàn)的最重要的信號(hào)波形；以及圖11示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的放大器電路的不同信號(hào)波形，以說(shuō)明在不同部件之間的特性方面的散布并示出溫度的影響。
具體實(shí)施例方式
圖1給出了具有傳感器10的測(cè)量設(shè)備50的圖示，傳感器10是以惠斯通電橋電路的形式來(lái)表示的。真實(shí)的傳感器元件需要是在其電阻總量方面可變，以便電阻值在理想的情況下呈現(xiàn)出與要測(cè)量的參數(shù)線性相關(guān)，或者至少根據(jù)已知的系統(tǒng)關(guān)系跟隨要測(cè)量的參數(shù)。正如已知的那樣，全橋電路中的四個(gè)圖示的電阻器R1、R2、R3、R4中的至少一個(gè)或者半橋電路中的兩個(gè)電阻器R1、R2中的至少一個(gè)是可變的。力測(cè)量單元的應(yīng)變計(jì)代表了一個(gè)針對(duì)這種類型的電路布置的實(shí)例。將工作電壓U0施加于該惠斯通電橋電路的節(jié)點(diǎn)K1和K2。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)K3和K4連接在信號(hào)處理部件20上，信號(hào)處理部件20包含這樣連接的不同的處理級(jí)MO、DOP、DMO、SW、SH、AD、AE，這些處理級(jí)以剛才命名的連續(xù)順序彼此跟隨。信號(hào)處理部件的第一處理級(jí)是具有至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK1、SK2的調(diào)制器MO，其中開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK1連接在節(jié)點(diǎn)K3上，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK2連接在節(jié)點(diǎn)K4上。根據(jù)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK1、SK2的開(kāi)關(guān)位置，節(jié)點(diǎn)K3和K4總是彼此電氣分離的，并且交替地連接在差分放大器DOP的第一放大器OP1的放大器信號(hào)輸入端子上或第二放大器OP2的放大器信號(hào)輸入端子上。在電路鏈中差分放大器DOP的后面是解調(diào)器DMO，解調(diào)器DMO的設(shè)計(jì)是與調(diào)制器MO的設(shè)計(jì)一致的。因此，解調(diào)器DMO同樣具有至少兩個(gè)輸入端子、至少兩個(gè)輸出端子以及至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK3、SK4，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK3連接在放大器OP1的放大器輸出端子上，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK4連接在放大器OP2的放大器輸出端子上。四個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK1、SK2、SK3、SK4是借助于轉(zhuǎn)換控制器來(lái)同步激勵(lì)的。在電路鏈中解調(diào)器DMO的后面是開(kāi)關(guān)SW，該開(kāi)關(guān)SW具有至少與解調(diào)器DMO相同的數(shù)目的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK5、SK6。這兩個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK5、SK6中的每一個(gè)都連接在解調(diào)器DMO的一個(gè)輸出端子上，將這些輸出端子連接在后續(xù)的處理級(jí)SH、AD、AE上，或?qū)⑺鼈兦袚Q到高阻抗。因此，解調(diào)器DMO的輸出端子連接在后續(xù)的處理級(jí)SH、AD、AE上或與它們分離。開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK5、SK6是通過(guò)超時(shí)控制器AS來(lái)激勵(lì)的。優(yōu)選的是，超時(shí)控制器AS通過(guò)信號(hào)連接SL連接到轉(zhuǎn)換控制器US，以便轉(zhuǎn)換控制器US的轉(zhuǎn)換信號(hào)SSW同時(shí)被用來(lái)觸發(fā)超時(shí)信號(hào)AS。所述觸發(fā)將開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK5、SK6設(shè)置在高阻抗上?？梢砸?guī)定超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間并將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中作為定量。然而，超時(shí)控制器AS也可以包括諸如處理器和內(nèi)存此類的裝置，所述裝置允許在初始化期間計(jì)算超時(shí)相位的持續(xù)時(shí)間，因此該持續(xù)時(shí)間在工作相位期間保持在固定的設(shè)置上。在超時(shí)相位的末端，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK5、SK6被復(fù)位，以便解調(diào)器DMO的輸出端子再次連接在后續(xù)的處理級(jí)SH、AD、AE上。當(dāng)然，也可以借助于定時(shí)元件以硬件的形式來(lái)規(guī)定超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間。因此超時(shí)周期跟隨調(diào)制器MO和解調(diào)器DMO的轉(zhuǎn)換周期。后續(xù)的處理級(jí)SH、AD、AE僅僅用于進(jìn)一步處理信號(hào)，由每一信號(hào)通道的一個(gè)R/C低通元件組成的取樣與保持處理級(jí)SH用于橋接超時(shí)相位。通常借助于模/數(shù)變換器電路AD將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，并將其送到處理器用于進(jìn)一步處理操作或?qū)⑵渌偷街甘酒鞑考嗀E。在當(dāng)前的實(shí)例中，將兩個(gè)A/D變換器AD1、AD2中的每一個(gè)分別分配給每一個(gè)信號(hào)通道。在圖1中指示的所有信號(hào)都將在圖4的環(huán)境中詳細(xì)加以說(shuō)明。
在圖2中示意地說(shuō)明了具有傳感器10和信號(hào)處理部件20的測(cè)量設(shè)備50。所有元件都與圖1對(duì)應(yīng)，超時(shí)控制器AS是用更多具體細(xì)節(jié)來(lái)顯示的。超時(shí)控制器AS包括信號(hào)發(fā)生器SG和異或元件EXOR。將信號(hào)發(fā)生器信號(hào)SSG和轉(zhuǎn)換信號(hào)SSW送往異或元件EXOR的信號(hào)輸入端子。輸入值SSG、SSW一但不再是相等的，超時(shí)信號(hào)SA就激勵(lì)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK5、SK6。這就是在由信號(hào)發(fā)生器信號(hào)SSG相對(duì)于轉(zhuǎn)換信號(hào)SSW的相位偏移設(shè)置相位持續(xù)時(shí)間的情況下，超時(shí)相位t1至t2、t3至t4、t5至t...是如何生成的。在圖2中指示的所有信號(hào)下面都將在圖4的環(huán)境中詳細(xì)加以解釋。
圖3示意性地說(shuō)明了具有傳感器110并具有信號(hào)處理部件120的測(cè)量設(shè)備150。除缺少圖1中的解調(diào)器DMO和開(kāi)關(guān)SW之外，其它所有元件都與圖1對(duì)應(yīng)。至于該電路中各個(gè)處理級(jí)的布置，與圖1唯一的不同在于傳感器150現(xiàn)在布置在調(diào)制器MO和差分放大器DOP之間，以便受益于上述用AC電壓操作的測(cè)量橋接電路的優(yōu)點(diǎn)。與圖1的電路相比，圖3中所示電路的唯一顯著差別是在圖1的環(huán)境中描述的處理級(jí)解調(diào)器DMO和開(kāi)關(guān)SW現(xiàn)在已經(jīng)相互組合了。集成在解調(diào)開(kāi)關(guān)DMSW中的是高阻抗的開(kāi)關(guān)級(jí)SP3，開(kāi)關(guān)級(jí)SP3布置在解調(diào)開(kāi)關(guān)DMSW的信號(hào)輸出端上的每一個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK7、SK8的兩個(gè)開(kāi)關(guān)位置SP1和SP2之間。代替使用開(kāi)關(guān)級(jí)SP3的是，如果開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK7、SK8在開(kāi)關(guān)位置SP1和SP2之間保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)我們就可以達(dá)到相同的目的。轉(zhuǎn)換控制器US以及超時(shí)控制器AS作用于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK7、SK8，以便例如通過(guò)將控制器元件AS和US的控制信號(hào)彼此疊加來(lái)產(chǎn)生超時(shí)相位。
圖4示出了在圖1、2和3中出現(xiàn)的最重要的信號(hào)波形。第一個(gè)圖顯示了轉(zhuǎn)換控制信號(hào)SSW的可能的時(shí)間波形。第二個(gè)圖描述了在第一放大器OP1的輸出端上的第一輸出信號(hào)SO1。也正如圖11中所示并在下面相關(guān)描述部分中詳細(xì)解釋的那樣，可以清楚地看到，上升時(shí)間和帶寬是受限的，并且這對(duì)輸出信號(hào)有影響。同樣可以清楚地看到，從一個(gè)周期到下一個(gè)周期的轉(zhuǎn)換速率α1、α2可以改變。
第三個(gè)圖說(shuō)明了第二放大器OP2的第二輸出信號(hào)SO2。在該情況下，受限的上升時(shí)間和帶寬的影響也是清楚明顯的。第四個(gè)圖示出了可能的超時(shí)信號(hào)SA，超時(shí)信號(hào)SA在這里顯示為具有低有效開(kāi)關(guān)電平。第五個(gè)圖采用這樣的形式示出第一被調(diào)制輸出信號(hào)SO1C如果開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK5、SK6同樣是通過(guò)第一個(gè)圖中顯示的轉(zhuǎn)換信號(hào)SSW來(lái)激勵(lì)的，則第一輸出信號(hào)SO1C出現(xiàn)在解調(diào)器之后。在超時(shí)相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期間，在第一被調(diào)制輸出信號(hào)SO1C中暫時(shí)跌落是清楚明顯的。虛線表示輸出信號(hào)SO1CF，輸出信號(hào)SO1CF在已經(jīng)被調(diào)制并借助于取樣與保持處理級(jí)SH的RC低通濾波器加以濾波之后，出現(xiàn)在第一A/D變換器AD1的輸入端上。單獨(dú)的取樣相位SM和保持相位HO同樣在該圖中顯示，并且清楚地論證了取樣和保持的相位是如何根據(jù)超時(shí)信號(hào)SA來(lái)交替的。第六個(gè)圖近似地說(shuō)明了在解調(diào)器之后的相應(yīng)的第二被調(diào)制輸出信號(hào)SO2C以及在第二A/D變換器AD2的輸入端上的相關(guān)的被調(diào)制和濾波的輸出信號(hào)SO2CF。
就處理級(jí)和它們?cè)陔娐分袕膫鞲衅?10到解調(diào)器DMO的信號(hào)輸出端子的布置而言，在圖5中示意性地說(shuō)明的具有傳感器210和信號(hào)處理部件220的測(cè)量設(shè)備250又具有與圖1中所示的實(shí)施例相似的設(shè)計(jì)。在這里，差分放大器DOP也是以兩個(gè)放大器OP1和OP2的方式來(lái)使用的。代替兩個(gè)處理級(jí)開(kāi)關(guān)SW和取樣與保持電路SH的是，將解調(diào)器DMO的每一個(gè)信號(hào)輸出端子直接連接在各自的A/D變換器AD1、AD2的信號(hào)輸入端子上。如果使用某些種類的A/D變換器，取樣與保持處理級(jí)SH可以省略。為了產(chǎn)生超時(shí)相位，超時(shí)控制器AS激勵(lì)觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)TSW，觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)TSW中斷觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器TR和A/D變換器AD1、AD2之間的觸發(fā)信號(hào)連接221，中斷時(shí)間為超時(shí)相位的持續(xù)時(shí)間。正如已知的那樣，A/D變換器只有在其接收到觸發(fā)信號(hào)的時(shí)候才執(zhí)行其功能。因而，通過(guò)中斷觸發(fā)信號(hào)連接221，A/D變換被阻塞。后續(xù)的處理級(jí)屬于與圖1中的相同的類型，即用于進(jìn)一步處理操作的處理器或指示器部件AE。圖5中指示的所有信號(hào)都將在接著的圖6的描述中加以詳細(xì)解釋。
圖6說(shuō)明了圖5中出現(xiàn)的最重要的信號(hào)波形。第一個(gè)圖顯示了轉(zhuǎn)換控制信號(hào)SSW的可能的時(shí)間波形。第二個(gè)圖描述了在第一放大器OP1的輸出端上的第一輸出信號(hào)SO1。以相似的表示法，第三個(gè)圖說(shuō)明了第二放大器OP2的第二輸出信號(hào)SO2。第四個(gè)圖顯示了可能的超時(shí)信號(hào)SA，超時(shí)信號(hào)SA在這里顯示為具有低有效開(kāi)關(guān)電平。第五圖表示這樣的形式的第一被解調(diào)輸出信號(hào)如果開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK5、SK6同樣是通過(guò)在第一個(gè)圖中顯示的轉(zhuǎn)換信號(hào)SSW來(lái)激勵(lì)的，則第一輸出信號(hào)SO1C出現(xiàn)在解調(diào)器DMO之后。在超時(shí)相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期間在第一被解調(diào)輸出信號(hào)SO1C中暫時(shí)跌落是清楚明顯的。第七圖說(shuō)明了用于A/D變換器AD1、AD2的可能的觸發(fā)信號(hào)STR。清楚明白的是，激勵(lì)觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)TSW的超時(shí)信號(hào)SA在超時(shí)相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期間抑制A/D變換器的觸發(fā)。
在圖7中說(shuō)明的測(cè)量設(shè)備350具有與圖5的實(shí)施例基本相同的元件。它們?cè)陔娐分械牟贾猛瑯优c圖5相似，已經(jīng)在上面描述了。如圖7所示的那樣，超時(shí)與觸發(fā)信號(hào)STRA也可以在組合部件TRAS中產(chǎn)生，該組合部件包括觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器和超時(shí)控制器。由于這種布置，圖5的觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)TSW被刪去了。這種的組合控制器可以借助于硬件和/或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，超時(shí)信號(hào)SA可以直接作用于觸發(fā)信號(hào)STR的生成，即導(dǎo)致它們的抑制。由于組合觸發(fā)信號(hào)STRA，A/D變換器AD1、AD2的A/D變換在相位t2至t3、t4至t5、……期間有效并在超時(shí)相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期間被阻塞。正如圖8中所示，在每一個(gè)調(diào)制器相位期間，對(duì)于A/D變換器只有單個(gè)組合觸發(fā)信號(hào)STRA生成。然而，該變換的開(kāi)始可以以下方式來(lái)由超時(shí)控制器加以控制在A/D變換器的輸入端子上的信號(hào)是沒(méi)有誤差的。如果轉(zhuǎn)換控制器US集成在組合控制器TRAS中的話，控制器元件的更進(jìn)一步的集成同樣也是可能。
圖8中所示的信號(hào)波形SSW、SO1、SO2、SO1C、SO2C以及SA精確地對(duì)應(yīng)于圖6中由相同符號(hào)所標(biāo)識(shí)的信號(hào)波形。第七個(gè)圖示出了A/D變換器的可能的組合觸發(fā)信號(hào)STRA。在該圖中顯而易見(jiàn)的是在超時(shí)相位t1至t2、t3至t4、t5至t...結(jié)束之后，即在放大器輸出信號(hào)中的錯(cuò)誤部分之后，超時(shí)信號(hào)SA是怎樣觸發(fā)A/D變換器的啟動(dòng)的。變換時(shí)間段tAD1、tAD2、tAD3、……是由虛線表示的。在這些時(shí)間間隔期間，要變換的信號(hào)SO1C、SO2C必須沒(méi)有被放大器的瞬態(tài)振蕩所破壞。
圖9示意性地說(shuō)明了具有多個(gè)傳感器或力測(cè)量單元410、411、412、413、414并具有配備多路復(fù)用器MX的信號(hào)處理部件420的測(cè)量設(shè)備450。采用這種一般可應(yīng)用于測(cè)量設(shè)備450以及其信號(hào)處理部件420的進(jìn)一步布置，由在跟隨放大器輸入信號(hào)S中開(kāi)關(guān)跳躍時(shí)模擬放大器OP物理上受限的能力所導(dǎo)致的模擬放大器OP的傳遞誤差，也是通過(guò)根據(jù)該發(fā)明的方法來(lái)避免的。例如如果幾個(gè)傳感器410、411、412、413、414的傳感器信號(hào)是通過(guò)多路復(fù)用器MX依次傳送到放大器OP的，在放大器輸出信號(hào)SO中就會(huì)出現(xiàn)這種類型的傳遞誤差。在該情況下，在開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)SK的每一個(gè)開(kāi)關(guān)事件之后，放大器的輸出必須穩(wěn)定在新的值上。與上述方法相似，后續(xù)的處理級(jí)可以在受影響的信號(hào)部分E1、E2、E3期間分離，正如在圖1、2和3中所示的那樣。當(dāng)然，也可以在超時(shí)相位t1至t2、t3至t4、t5至t...期間借助于組合觸發(fā)信號(hào)超時(shí)開(kāi)關(guān)TRAS，通過(guò)阻塞后續(xù)的處理級(jí)，來(lái)抑制更進(jìn)一步的處理，在該情況下是模/數(shù)變換器AD，如圖5或圖6中所示。通過(guò)信號(hào)連接SL，組合觸發(fā)信號(hào)超時(shí)開(kāi)關(guān)TRAS與多路復(fù)用器MX的轉(zhuǎn)換控制器US協(xié)作，由此使得組合觸發(fā)信號(hào)STRA的超時(shí)相位與轉(zhuǎn)換信號(hào)SWX同步。
圖10示出了在圖9中出現(xiàn)的最重要的信號(hào)波形，即SWX、SO、SA以及STRA。第一個(gè)圖說(shuō)明了多路復(fù)用器轉(zhuǎn)換控制信號(hào)SSWX的可能的時(shí)間波形，該信號(hào)的值是以十六進(jìn)制代碼來(lái)表示的。
第二個(gè)圖表示了放大器的可能的輸出信號(hào)SO。這個(gè)圖同樣地清楚顯示了放大器OP的上升時(shí)間和帶寬是如何受限制的以及該情況對(duì)放大器輸出信號(hào)SO的影響。由于放大器輸出信號(hào)SO由不同測(cè)量單元的輸出信號(hào)組成，不同信號(hào)周期的各自的振幅也彼此不同。第三個(gè)圖顯示了可能的超時(shí)信號(hào)SA，組合觸發(fā)信號(hào)超時(shí)控制器不是正將該超時(shí)信號(hào)SA發(fā)送到外部，而是其用于生成組合觸發(fā)信號(hào)STRA的內(nèi)部處理。
第四個(gè)圖顯示了用于A/D變換器的組合觸發(fā)信號(hào)STRA。在該圖中顯而易見(jiàn)的是在受影響的放大器輸出信號(hào)SO的損壞信號(hào)部分E1、E2、E3結(jié)束之后超時(shí)信號(hào)AS是如何觸發(fā)A/D變換器的啟動(dòng)的。變換時(shí)間間隔tAD1、tAD2、tAD3、……是由虛線表示的。在這些時(shí)間間隔期間，要變換的信號(hào)必須沒(méi)有被放大器的瞬態(tài)振蕩所破壞。
圖11顯示根據(jù)本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的放大器電路的不同信號(hào)波形，所述信號(hào)波形用于說(shuō)明具有相同構(gòu)造的放大器中部件之間的散布和溫度的影響。由于在時(shí)刻t1放大器輸入信號(hào)SOPin的跳躍以及在時(shí)刻t2上更進(jìn)一步的跳躍，理論上的放大器輸出信號(hào)SOPoutT同樣以跳躍的方式跟隨放大器輸入信號(hào)SOPin而沒(méi)有時(shí)間延遲。然而，實(shí)際上，因?yàn)樵摲糯笃鞯哪芰Φ奈锢硐拗?，其顯示出完全不同的表現(xiàn)。該放大器具有一定的上升時(shí)間τ，其可以根據(jù)轉(zhuǎn)換速率α來(lái)計(jì)算。然而，疊加在該響應(yīng)信號(hào)的理論上升上的是放大器的瞬態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)，該瞬態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)顯著地受反饋電阻器和反饋電容器的影響，并且近似地符合指數(shù)函數(shù)。這導(dǎo)致例如在20℃的工作溫度上與輸出信號(hào)波形SOPout1一致的放大器輸出信號(hào)。如果這個(gè)信號(hào)隨后由低通濾波器來(lái)進(jìn)行平滑，則通常所得到的信號(hào)具有類似信號(hào)圖SOPoutF的形狀。如果測(cè)量是在相同的溫度下，在第二個(gè)同樣構(gòu)造的放大器上進(jìn)行的，那么第二個(gè)放大器就可能具有偏離于第一放大器的輸出信號(hào)，例如類似圖11中的輸出信號(hào)圖SOPout2所示。采用同一元件的實(shí)驗(yàn)也已得到如下結(jié)論在不同的工作溫度上，瞬態(tài)表現(xiàn)變化巨大。因而，在60℃的工作溫度上第一放大器的輸出信號(hào)可以例如與輸出信號(hào)圖SOPout3一致。顯然，這三個(gè)圖的經(jīng)過(guò)濾波的放大器輸出信號(hào)也將具有不同的振幅。
不證自明的是，根據(jù)該發(fā)明的方法不僅適用于具有應(yīng)變計(jì)力測(cè)量變換器的測(cè)量設(shè)備，而且它還可以用在依照電磁力補(bǔ)償原理工作的測(cè)量設(shè)備。此外，諸如濕度傳感器、溫度傳感器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器等等此類的傳感器的任何輸出信號(hào)都可以用模擬放大器來(lái)放大，并且以根據(jù)該發(fā)明的方法，放大器輸出信號(hào)可以沒(méi)有由于在跟隨由開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的放大器輸入信號(hào)中的跳躍時(shí)模擬放大器物理上受限的能力所造成的模擬放大器的傳遞誤差。
權(quán)利要求
1.一種用于校正模擬放大器(OP、DOP)的傳遞誤差的方法，所述傳遞誤差起因于在跟隨由開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的所述放大器的輸入信號(hào)(S1、S2)中的跳躍時(shí)所述放大器物理上受限的能力，其中，信號(hào)處理部件(20)包括至少一個(gè)調(diào)制器(MO)和/或多路復(fù)用器(MX)、模擬放大器(OP、DOP)以及在所述電路鏈中跟隨所述模擬放大器(OP、DOP)之后的至少一個(gè)處理級(jí)(AD、AE)，其特征在于a)根據(jù)所述開(kāi)關(guān)跳躍出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，在所述模擬放大器(OP、DOP)之后的所述處理級(jí)(AD、AE)在預(yù)定的超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間(t1至t2、t3至……)期間與所述模擬放大器(OP、DOP)分離，和/或b)根據(jù)所述開(kāi)關(guān)跳躍出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，在所述模擬放大器(OP、DOP)之后的所述處理級(jí)(AD、AE)在預(yù)定的超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間(t1至t2、t3至……)期間被阻塞。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)于，上升時(shí)間(τ)與2和10之間的一個(gè)系數(shù)的乘積或者所述模擬放大器(OP、DOP)的時(shí)間常數(shù)與2和10之間的一個(gè)系數(shù)的乘積。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述模擬放大器(OP、DOP)之后的處理級(jí)(AD、AE)是借助于開(kāi)關(guān)(SW)而與所述模擬放大器(OP、DOP)分離的，其中，所述開(kāi)關(guān)(SW)布置在所述模擬放大器(OP、DOP)和所述處理級(jí)(AD、AE)之間并且是通過(guò)超時(shí)控制器(AS)來(lái)激勵(lì)的。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述信號(hào)處理部件(120)包括在所述電路鏈中跟隨所述模擬放大器(OP、DOP)之后的解調(diào)開(kāi)關(guān)(DMSW)，其中，所述調(diào)制器(MO)的轉(zhuǎn)換控制器(US)作用于所述解調(diào)開(kāi)關(guān)(DMSW)，以用于對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行同步解調(diào)，并且其中，超時(shí)控制器(AS)在所述超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間(t1至t2、t3至……)期間借助于超時(shí)信號(hào)(SA)將所述解調(diào)開(kāi)關(guān)(DMSW)保持在高阻抗開(kāi)關(guān)電平(SP3)或高阻抗?fàn)顟B(tài)。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一個(gè)所述的方法，其特征在于，跟隨所述模擬放大器的所述處理級(jí)是模/數(shù)變換器電路(AD)，其中，為了生成超時(shí)相位，超時(shí)控制器(AS)激勵(lì)觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)(TSW)，并且所述觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)(TSW)在所述超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間(t1至t2、t3至……)期間中斷所述A/D變換所需的觸發(fā)信號(hào)(STR)。
6.如權(quán)利要求1至4中任意一個(gè)所述的方法，其特征在于，跟隨所述模擬放大器的所述處理級(jí)是模/數(shù)變換器電路(AD)，并且為了生成超時(shí)相位，所述超時(shí)控制器(AS)與生成所述A/D變換所需的信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器(TR)一起形成組合的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器/超時(shí)控制器部件(TRAS)，其中，由所述超時(shí)控制器(AS)生成的超時(shí)信號(hào)(SA)在所述超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間(t1至t2、t3至……)期間疊加在所述觸發(fā)信號(hào)(STR)上，或者所述觸發(fā)信號(hào)(STR)的生成被抑制。
7.如權(quán)利要求1至6中任意一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述調(diào)制器(MO)和/或所述多路復(fù)用器(MX)配備有轉(zhuǎn)換控制器(US)，并且所述超時(shí)控制器(AS)的超時(shí)信號(hào)(SA)可以根據(jù)所述轉(zhuǎn)換控制器(US)的轉(zhuǎn)換信號(hào)(SSW)來(lái)生成。
8.如權(quán)利要求1至7中任意一個(gè)所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)傳感器(10、110、……)的輸出信號(hào)被傳送給所述放大器(OP、DOP)作為放大器輸入信號(hào)(S1、S2)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，借助于所述調(diào)制器(MO)，將所述放大器輸入信號(hào)(S1、S2)或所述傳感器的輸入電壓優(yōu)選地調(diào)制為交替的方波電壓信號(hào)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，將至少兩個(gè)傳感器(410、411、……)的輸出信號(hào)借助于所述多路復(fù)用器(MX)順序地傳送給所述至少一個(gè)模擬放大器(OP)。
11.放大器模塊或集成的放大器模塊，用于執(zhí)行如權(quán)利要求1至10中任意一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述放大器模塊包括至少一個(gè)調(diào)制器(MO)和/或具有至少一個(gè)轉(zhuǎn)換控制器(US)的多路復(fù)用器(MX)、在所述電路鏈中跟隨在所述調(diào)制器(MO)和/或該多路復(fù)用器(MX)之后的至少一個(gè)模擬放大器(OP)、以及在所述電路鏈中跟隨在所述模擬放大器(OP)之后的至少一個(gè)處理級(jí)，其中，所述處理級(jí)包括至少一個(gè)超時(shí)裝置，所述超時(shí)裝置用于在所述放大器輸出信號(hào)中產(chǎn)生具有預(yù)定超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間(t1至t2、t3至……)的超時(shí)相位。
12.測(cè)量設(shè)備(50、150、……)，用于執(zhí)行如權(quán)利要求1至10中任意一個(gè)所述的方法，其具有至少一個(gè)信號(hào)處理部件(20)并具有至少一個(gè)傳感器(10)，其中，所述信號(hào)處理部件(20)包括調(diào)制器(MO)和/或具有轉(zhuǎn)換控制器(US)的多路復(fù)用器(MX)，其中，至少一個(gè)模擬放大器(OP1、OP2)在所述電路鏈中跟隨在所述調(diào)制器(MO)和/或該多路復(fù)用器(MX)之后，并且其中，至少一個(gè)處理級(jí)(AD、AE)在所述電路鏈中跟隨在所述模擬放大器(OP1、OP2)之后，其特征在于，所述至少一個(gè)信號(hào)處理部件(20)包括至少一個(gè)超時(shí)裝置，所述超時(shí)裝置用于在所述放大器輸出信號(hào)(SO1CF、SO2CF)中產(chǎn)生具有預(yù)定超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間(t1至t2、t3至……)的超時(shí)相位。
13.如權(quán)利要求12所述的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述調(diào)制器(MO)直接布置在所述模擬放大器(DOP)的前面，并且所述調(diào)制器(MO)用于對(duì)所述放大器輸入信號(hào)(S1、S2)進(jìn)行調(diào)制。
14.如權(quán)利要求12所述的測(cè)量設(shè)備(150)，其特征在于，所述調(diào)制器(MO)布置在所述至少一個(gè)傳感器(110)的前面，并且所述調(diào)制器(MO)用于對(duì)所述傳感器(10)和/或所述力測(cè)量單元(10)的電源電壓(U0)進(jìn)行調(diào)制，并因而用于對(duì)所述放大器輸入信號(hào)(S1、S2)進(jìn)行調(diào)制。
15.如權(quán)利要求12至14中任意一個(gè)所述測(cè)量設(shè)備(50)，其特征在于，所述超時(shí)裝置包括分配給所述信號(hào)處理部件(20)的開(kāi)關(guān)(SW)以及連接在所述開(kāi)關(guān)(SW)上的超時(shí)控制器(AS)，并且所述轉(zhuǎn)換控制器(US)的轉(zhuǎn)換信號(hào)(SA)能夠激勵(lì)所述超時(shí)控制器(AS)。
16.如權(quán)利要求15所述的測(cè)量設(shè)備(50)，其特征在于，所述超時(shí)控制器(AS)包括信號(hào)發(fā)生器(SG)和異或元件(EXOR)，以及通過(guò)將所述信號(hào)發(fā)生器信號(hào)(SSG)與所述轉(zhuǎn)換信號(hào)(SSW)組合，所述異或元件(EXOR)用于產(chǎn)生所述超時(shí)信號(hào)(SA)。
17.如權(quán)利要求12至14中任意一個(gè)所述的測(cè)量設(shè)備(150)，其特征在于，所述測(cè)量設(shè)備(150)包括解調(diào)開(kāi)關(guān)(DMSW)，所述解調(diào)開(kāi)關(guān)(DMSW)被布置為在所述電路鏈中跟隨所述模擬放大器(DOP)之后，并且其特征還在于，所述解調(diào)開(kāi)關(guān)(DMSW)連接在所述調(diào)制器(MO)的轉(zhuǎn)換控制器(US)上，所述超時(shí)裝置包括連接在所述解調(diào)開(kāi)關(guān)(DMSW)上的超時(shí)控制器(AS)，以及集成到所述解調(diào)開(kāi)關(guān)(DMSW)中的高阻抗開(kāi)關(guān)級(jí)(SP3)或可以保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)的具有開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)(SK7、SK8)的解調(diào)開(kāi)關(guān)(DMSW)，其中，所述轉(zhuǎn)換控制器(US)的轉(zhuǎn)換信號(hào)(SSW)具有適合于激勵(lì)所述高阻抗開(kāi)關(guān)級(jí)(SP3)的超時(shí)控制器(AS)的特性，并且由所述超時(shí)控制器(AS)生成的超時(shí)信號(hào)(SA)可以疊加在所述轉(zhuǎn)換信號(hào)(SSW)上，或者所述超時(shí)信號(hào)(SA)可以與所述轉(zhuǎn)換信號(hào)(SSW)組合。
18.如權(quán)利要求12至14中任意一個(gè)所述的測(cè)量設(shè)備(250)，其特征在于，在所述電路鏈中跟隨所述模擬放大器之后的所述處理級(jí)是模/數(shù)變換器電路(AD)，所述超時(shí)裝置包括觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)(TSW)和連接在所述觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)(TSW)上的超時(shí)控制器(AS)，其中，所述觸發(fā)信號(hào)開(kāi)關(guān)(TSW)中斷所述A/D變換所需的觸發(fā)信號(hào)(STR)，并且其特征還在于，所述轉(zhuǎn)換控制器(US)的轉(zhuǎn)換信號(hào)(SSW)具有適合于激勵(lì)所述超時(shí)控制器(AS)的特性。
19.如權(quán)利要求12至14中任意一個(gè)所述的測(cè)量設(shè)備(350)，其特征在于，在所述電路鏈中跟隨所述模擬放大器之后的處理級(jí)是模/數(shù)變換器電路(AD)，并且所述超時(shí)裝置包括組合在一起的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器和超時(shí)控制器(TRAS)，所述超時(shí)控制器(TRAS)用于生成所述A/D變換所需的觸發(fā)信號(hào)(STRA)，其中，所述轉(zhuǎn)換控制器(US)的轉(zhuǎn)換信號(hào)(SSW)具有適合于激勵(lì)所述超時(shí)控制器(AS)的特性，并且所述超時(shí)控制器(AS)用于釋放或阻塞所述觸發(fā)信號(hào)(STRA)。
20.如權(quán)利要求12至19中任意一個(gè)所述的測(cè)量設(shè)備(350)，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器是濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、具有應(yīng)變計(jì)的力測(cè)量單元、或依照電磁力補(bǔ)償原理的力測(cè)量單元。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的方法用于校正模擬放大器的傳遞誤差，所述傳遞誤差起因于在跟隨由開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的放大器輸入信號(hào)中的跳躍時(shí)所述模擬放大器物理上受限的能力方面受到物理限制。在包括至少一個(gè)傳感器及連在所述傳感器上的信號(hào)處理部件和模擬放大器的測(cè)量設(shè)備中——其中該信號(hào)處理部件包括至少一個(gè)調(diào)制器和/或多路復(fù)用器、模擬放大器、以及在電路鏈中跟隨該模擬放大器值的至少一個(gè)處理級(jí)——所述處理級(jí)根據(jù)開(kāi)關(guān)跳躍出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，借助于布置在該放大器和該處理級(jí)之間的開(kāi)關(guān)，在預(yù)定的超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間期間與該放大器分離，并且該處理級(jí)受超時(shí)控制器的控制，以及/或者根據(jù)開(kāi)關(guān)跳躍出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，所述處理級(jí)在預(yù)定的超時(shí)相位持續(xù)時(shí)間期間被超時(shí)控制器阻塞。
文檔編號(hào)H03F3/45GK1987363SQ200610169038
公開(kāi)日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者西里爾·布赫, 丹尼爾·雷伯, 菲利普·R·奧利特 申請(qǐng)人:梅特勒-托利多公開(kāi)股份有限公司