根据数字式数据值产生输出电压的电路单元和校准电路单元的方法

摘要

在数字式系统的模拟输出级中，在一方面传送给模拟输出级的数字式数据值与另一方面实际所产生的输出电压之间的关系常常并不对应于所希望的特性曲线。模拟输出级的特性曲线应该尽可能简单地与所希望的特性曲线匹配。根据本发明提供了一种用于根据数字式数据值(D)产生输出电压(V)的电路单元(10)，其特性曲线可以借助于校准电压(VKal)进行匹配。本发明的还包括一种用于校准相应的电路单元(10)的方法。本发明例如可以应用在调节器中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电路单元，用于根据数字式数据值产生输出电压，其中电路单元包括数模转换器(DAC)和用于放大的单元。本发明也涉及一种用于校准电路单元的方法。

背景技术

用于根据数字式数据值而产生输出电压的电路单元例如使用在调节器中。在有规律的时间间隔中，借助于调节一种调节过程的算法来计算调节参量的数字式数据值。接着将所计算出的数据值转换成输出电压，以便以此来控制执行机构。通过这样控制的执行机构减少了过程中的调节误差。用于根据数字式数据值而产生输出电压的电路单元也称作为(数字式)调节器的模拟输出级。

一方面是被输出给电路单元的数字式数据值，另一方面是实际上所产生的输出电压，二者之间的关系称之为电路单元的特性曲线。这种特性曲线一般与理论的或者说所希望的特性曲线有偏差。这是由公差引起的，在电路单元的组件中以及在电路单元的加工中必须允许公差。

电路单元的特性曲线与理论上的特性曲线的偏差例如在调节器中产生不希望的后果，即在借助于电路单元来控制执行机构时在过程中产生新的调节误差。

由现有技术已知，对于目前的调节器来说，数字式数据值并不直接传输给电路单元，而是首先借助于成像功能计算出改变了的数据值。对于这种改变了的数据值来说，则考虑到了模拟输出级的特性曲线与所希望特性曲线的偏差。这种方法的缺点在于：必需有用于计算改变了的数据值的附加计算步骤。这要求附加的计算能力和附加的计算时间。因而根据有规律地产生的数字式数据值，限制了输出电压的最大可能的改变率，并因此限制了快速调节可变的过程的可能性。

在专利文件US 4,342,983中描述了一种可动态校准的数模转换器，这种转换器包括通常的数字式可控电源和附加电源。通常的数字式可控电源具有固定地设定的特性曲线，该特性曲线具有不均等的量化等级。通过数字式可控电源的输出电流与附加电流的叠加，在相加位置上形成具有均匀高度的量化等级的、可动态校准的数模转换器的特性曲线。

在专利文件US 2005/0001747 A1中描述了一种系统，在该系统中借助于数模转换器由数字式输入值产生模拟输出电压。借助于校准电路产生校正电压，该校正电压通过加法器与数模转换器的输出电压相叠加。数模转换器本身的性能是不可校准的。在校准电路内部通过第二数模转换器来产生校正电压。

在Falconi的文章《电子接口》中(Falconi著：《电子接口》，ELSEVIER SEQUOIA S.A.，LOUSANNE，CH，Bd，121，第1期，2007年1月23日，第295-329页)描述了一种用来测量传感器电阻的电路，其中借助于该电路可以通过可能的电阻值的大间隔来数字式地测量电阻。为了可以通过大间隔实现电阻值的准确测量，可以通过调整数模转换器的串联电阻来改变传感器的供电电流。串联电阻通过选择几个串联电阻中的一个来进行调整。同样也可以通过另一个数模转换器而使传感器的供电电压发生改变。数模转换器以及串联电阻在其特性曲线中不能改变并且必须在电路运行之前进行校准。

发明内容

因而本发明的目的是提供一种可能性，用它可以使模拟输出级的特性曲线尽可能简单地匹配于理论的或者说所希望的特性曲线。

该目的通过根据权利要求1所述的电路单元来实现。该目的也通过根据权利要求10所述的方法来实现。另外，本发明还包括根据权利要求12所述的调节器。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中说明。

根据本发明，具有可校准的特性曲线的模拟输出级通过用于根据数字式数据值产生输出电压的电路单元给出，该电路单元包括：

-第一数模转换器，设计用于提供取决于数据值的模拟电压信号，以及

-第一可控电源，设计用于根据控制值来产生校准电压，以及

-用于放大的单元，设计用于产生输出电压，其中输出电压的值取决于模拟电压信号和校准电压，以及

-第二可控电源，设计用于根据控制值来产生基准电压，其中第一数模转换器设计用于根据基准电压来对模拟电压信号的幅值进行定标。

所谓“定标”就是通过使基准电压加倍来使模拟电压信号的幅值也加倍。通过提供第二可控电源可以这样来规定电路单元的特性曲线，即不仅补偿偏移电压，而且可以与此无关地例如也使全调节发生改变。

第二可控电源是第二数模转换器，而用于第二可控电压流的控制值对应地是数字式控制值。

利用这种电路单元可以借助于第一可控电源来补偿电路单元的特性曲线与理论的或者说所希望的特性曲线的偏差。为此在电路单元运行期间不再需要附加的计算步骤。与现有技术不同的是，可以直接在未改变的数字式数据值的基础上产生输出电压。

此外这里也体现出已经提到的优点，即在运行时例如可以通过控制器使特性曲线自动地进行匹配。

在此，如果

-第一可控电源是第三数模转换器，并且

-用于第一可控电源的控制值是数字式控制值，那么是特别有利的。

因此例如调节器的控制器可以在正在进行的运行中通过输出数字式控制值，使电路单元的特性曲线匹配于所希望的特性曲线。

优选地这样来确定用于第一可控电源的控制值，即在设定有最小的数字式数据值时，输出电压的实际值与输出电压的额定值之间的差的值小于规定的值。

这样的控制值平衡了电路单元的偏移电压(Offset)。这样的偏移电压使电路单元的特性曲线相对于理论的或者说所希望的特性曲线移开恒定的偏移值。输出电压的额定值则通过所希望的特性曲线给出。

控制值尤其是这样来确定，即根据输出电压的满标值(Vollaussteuerungswert)Vaf、用于放大的单元的放大系数G、动态余量R的值和电路单元的偏移误差值Vaz，通过以下公式计算出校准电压Vkal：

$\mathrm{Vkal}=\frac{\mathrm{Vaf}-(R+1)\times \mathrm{Vaz}}{G\times R}.$

所得出的经校准的电路单元的特性曲线则对于小的数字式数据值来说，尤其是对于最小的数字式数据值来说，与没有偏移电压时线中电路单元的特性曲线相比没有偏差。然而与特性曲线的简单移动相反，电路单元的满标值没有改变。

第二可控电源的控制值尤其是这样来确定，即根据输出电压的满标值Vaf、用于放大的单元的放大系数G、动态余量的值R和电路单元的偏移误差值Vaz，通过以下公式得出基准电压Vref：

$\mathrm{Vref}=\frac{\mathrm{Vaf}-\mathrm{Vaz}}{G\times R}.$

利用这样确定的控制值实现了：如果这样地改变了电路单元的特性曲线，即平衡了电路单元的偏移电压，那么在传输对应的最大的数字式数据值时也就达到满标值。

本发明的一个特别有利的实施方式这样实现：

-用于放大的单元包括差分放大器，尤其是运算放大器，其中差分放大器的输出端通过电阻与差分放大器的逆转输入端相连接，并且

-第一可控电源通过另一个电阻与差分放大器的逆转输入端相连接，并且

-第一模数转换器将模拟电压信号加在差分放大器的非逆转输入端上。

利用这样的用于放大的单元可以特别廉价制造根据本发明的电路单元。

该目的也通过本发明的用于校准电路单元的方法来实现，该电路单元借助于数模转换器和借助于用于放大的单元并且根据数字式数据值产生输出电压。术语“校准”是指特性曲线匹配。

该方法包括以下步骤：

1)将数据值传输给数模转换器，其中数据值代表了设定的数值范围中的最小数值，并且

2)检测输出电压作为偏移误差(偏移电压)的实际值；

3)将数据值传输给数模转换器，其中数据值代表设定的数值范围中的最大数值，并且

4)检测输出电压作为全调节的实际值；

5)将校准电压加在用于放大的单元的输入端上，其中校准电压根据偏移误差的实际值和全调节的实际值来产生，并且

6)将基准电压加在数模转换器的输入端上，其中基准电压根据偏移误差的实际值和全调节的实际值来产生。

这种方法可以自动地由控制器，例如在电路单元投入运行时实施。由此，即使在电路单元的传输性能例如由于部件的老化而逐渐改变时，电路单元的特性曲线也会正确地匹配于所希望的特性曲线。在电路单元运行时也可以有规律地实施此方法。因此，即使在电路单元的传输性能例如由于部件的发热而在电路单元运行期间改变时，也能够使电路单元的特性曲线匹配。也可以在制造该电路单元时就实施方法步骤1)至5)，并且在电路单元每次投入运行时或者在电路单元运行期间，只实施步骤6)和7)。

该方法的一种有利实施方式包括以下进一步的步骤：

7)检测电路单元上的温度值；

8)根据温度值来改变校准电压和/或基准电压。

由于部件的温度性能对电路单元的传输性能有大的影响，因此通过改变校准电压或者说基准电压可以实现：电路单元的特性曲线即使在温度改变时也保持不变。

本发明还包括一种具有模拟输出级的调节器，该输出级包括根据本发明的电路单元。为此附加地或可选地设计有调节器来实施根据本发明的用于校准的方法。

根据本发明的调节器能够使快速改变的过程精确地调节到额定状态。

附图说明

以下根据实施例来说明本发明。附图所示为：

图1是根据本发明的电路单元的一种实施方式的电路图；

图2是具有电路单元的特性曲线的简图，其中特性曲线通过根据本发明的方法的实施方式得以匹配。

具体实施方式

以下实施例是本发明的优选的实施方式。

在图1所示实施例中，电路单元10具有数模转换器12和放大级14。后者根据本发明提供了一种用于放大的单元。放大级14由运算放大器OV和两个电阻R1和R2构成。

电路单元10在此是具有在图1中未示出的控制器的调节器的一部分，该控制器基于一种用于调节的算法产生数字式数据值D。通过电路单元10，根据数据值D来控制在图1中未示出的执行机构。电路单元10为此在放大级14的输出端上产生输出电压V₁。放大级14的输出端与执行机构的控制输入端相连。放大级14的输出电压V在所示出的实施例中是单极的，也就是说输出电压V在这里的值总是大于或等于0V。

所有在图1中提到的电压都与电路单元10的共同的接地16并联。

如果将数据值D传输给电路单元10，那么数模转换器12就产生附属的模拟电压信号Va，该模拟电压信号加在运算放大器OV的非逆转输入端上。然后放大级14将电压信号Va放大至输出电压V。

放大级14通过放大系数G来表征，电压信号Va以该放大系数进行放大。放大系数G由两个电阻R1和R2来确定。

模拟电压信号Va可以具有在几毫伏与数模转换器12的基准电压Vref之间的电压值。在本实施例中Vref达到2.5V。如果数字式数据值D取其最大可能的数值，那么电压信号Va就具有这个值。这个值此处为2^N-1，其中N是数据值D的字长，也就是说数据值D总共所包括的位数。这里N＝10，因此最大可能的值相当于十进制值1023。

如果数字式数据值D具有其最小可能的数值，那么电压信号Va就具有最小的电压值。最小可能的值在这里是二进制值0。根据由生产所限的样品波动，数模转换器12，正如理论上期待的那样，并不产生幅值为0V的电压信号Va。取而代之的是电压信号与值0V有几毫伏的偏移电压。

放大级14的运算放大器OV也具有几毫伏的电压偏移：即使当电压信号Va的值为0V时，如果电阻R1像在根据现有技术的可比较的模拟输出级中那样与外壳16连接，在放大级14的输出端的输出电压也不是0V。数模转换器12和运算放大器OV的偏移电压累积成电路单元10的总偏移电压。

该偏移电压通过校准电压Vkal来平衡，后者由第二数模转换器18提供。在这里校准电压Vkal这样来确定，即在数字式数据值D取最小可能的数值时，使输出电压V为0V。第二数模转换器18因此根据本发明构成第一可控电源，其中电压值可以通过数字式控制值D1来控制。控制值D1由调节器的控制器来产生。

数模转换器12的基准电压Vref也由另一个数模转换器20提供。该数模转换器根据本发明作为第二可控电源，可以由数字式控制值D2来控制。控制值D2也由调节器的控制器来产生。

两个数模转换器18和20的基准电压V0由另一个电源22提供。该电源22在图1中只是用符号示出。

通过用控制器来确定两个数字式控制值D1和D2，控制器校准了电路单元10的特性曲线，就是说该控制器确定了数字式数据值D与为此所产生的输出电压V之间的关系。因此可以将数据值D直接(也就是不用像在技术背景中那样换算)写入数模转换器12中。电路单元10的所希望特性曲线直接由校准电压Vkal的值和基准电压Vref的值得出。通过省略考虑到了电路单元的传输性能而对改变了的数据值D的计算，缩短了控制器的计算时间。这可以对控制器实现连续的数据值的更高的输出率。此外，可以利用数模转换器12的全分辨率，这是因为没有计算误差会引起输出电压的不连续性(例如随时间发生的突变)。

为了能够确定这两个控制值D1和D2，在本实施例中通过制造商借助于根据本发明的用于校准电路单元的方法的一种实施方式求出了未校准的电路单元10的特性曲线。为此首先产生0V的校准电压源和2.5V的基准电压Vref。接着作为数据值D将最小数值，也就是说这里是二进制值为0，输送给电路单元10，并且检测输出电压V的值作为偏移误差Vaz的实际值。然后作为数据值D传输最大可能的数值2^N-1。为最大数值所产生的输出电压V被检测作为全调节Vaf的实际值。

由制造商对偏移误差Vaz和全调节Vaf所实施的测量得出了未平衡的电路单元10的特性曲线。为了使调节器有效地运行，将该特性曲线变换成理想的特性曲线。作为偏移误差的额定值或者说理想值取为零。此外还提供了动态余量，也就是说作为最大数值确定了数字式满标值Dfs，其小于理论的最大可能数值2^N-1。为该满标值Dfs确定了系数Dfv，该系数表达了：数据值D的数字值范围在多大程度上得到充分利用。这里系数计算为Dfv＝2*Dfs/2^N。满标值Dfs这样来选择，使得系数Dfv的数值大于1并小于2。动态余量R这里则为R＝Dfv-1，因此对于动态余量R来说有位于0和1之间的值。整个电路则借助于动态余量R来设计，使基准电压Vref比起对于输出级的全调节所必需要的要大一定的量。

根据偏移误差Vaz和满标值Vaf，首先根据公式确定必须的基准电压Vref和必须的校准电压Vkal，正如在本发明的实施方式中规定基准电压和校准电压那样。接着将相应的控制值D1和D2存储在控制器中，因此在调节器投入运行时，可以自动地通过控制器，调整电路单元10的所希望的特性曲线。

通动态余量R或者说通过确定满标值Dfs得到有利的效果，使数模转换器12的分辨率得到利用。

控制器附加地能够在电路单元10的环境温度改变时跟踪控制值D1和D2。因此，当数模转换器12的、运算放大器OV的和电阻R1和R2的运行性能由于部件的发热而发生改变时，电路单元10的特性曲线本身保持不变。正确的跟踪可以通过以下途径来实现：借助于在图1中未示出的温度传感器来检测电路单元10周围环境中的温度。通过数值表对于所检测的温度读出对于控制值D1和D2所必须的改变。数值表存储在控制器中。数值表在制造电路单元10时就由生产商通过测试安装好。与现有技术不同的是，在控制器的每个输出循环中，不需要进行附加的、用于改变数据值D的计算来补偿特性曲线的改变。

在电路单元的另一种实施方式中，通过另外的方式来跟踪控制值D1、D2。控制器设置有用来检测输出电压的装置。控制器以有规律的间距，例如每一分钟，将对于数据值而言事实上由电路单元所产生的输出电压与根据所希望的特性曲线得出的输出电压进行比较。根据多个这样的比较和此时测量到的偏差就可以通过控制器自动地来跟踪控制值。

在根据本发明的电路单元的另一种实施方式中，提供了多个输出范围，这就是说，在正进行的运行中在至少两条所希望的特性曲线之间进行变换。这通过控制值D1和D2的改变而实现。因此立即将校准值以及输出范围，也就是说，在最小的和最大的输出电压V之间的所希望间隔计算进去。通过这种由一种根据本发明的电路单元可以实现的特性曲线的匹配，例如通过控制值D1和D2的二等分，出现以下优点，即数模转换器12可以连续地用全分辨率，没有其它限制地实现运行。

在图2中表示了电路单元的两条特性曲线30，32。通过特性曲线30，32描述了在电路单元的数字式数据值D和输出电压V之间的关系。

特性曲线30由一种用来校准电路单元的、根据本发明的实施方式得出。为了进行比较在图2中表示出了特性曲线32，正如它对于未校准的电路单元来说所得出的那样。

在特性曲线32上可以见到：电路单元不进行校准，具有偏移电压Vaz：即使当数字式数据值D取其最小数值时，输出电压V的电压值为Vaz，它大于零。

通过用于校准的方法规定了电路单元的两个工作点34，36，因此对于电路单元来说，总之就得出所希望的特性曲线30。在第一工作点34上，如果数字式数据值取其最小数值，那么输出电压V等于零。这借助于校准电压来达到。校准电压取决于所测的偏移电压Vaz。校准电压加在用于放大的单元上，该单元是电路单元的部分。通过校准电压使用于放大的单元的基本电位相应于偏移电压Vaz移动。在第二工作点36上输出电压V取预先规定的满标值Vaf，它在这里当然小于最大可能的、由用于放大的单元可以产生的输出电压V。通过第二工作点36规定：如果数字式数据值D具有满标值Dfs，那就输出满标值Vaf。这个满标值Dfs也小于最大可能的数值，数据值D可以取这个数值。第二工作点36因此如此来确定，从而对于电路单元产生动态余量R。这意味着，数据值D也可以被传输给电路单元，它大于满标值Dfs。而不必对电路单元的数模转换器或者用于放大的单元进行过调制。

总之，根据所述的实施例表明，模拟输出级的特性曲线如果能够匹配于一种所希望的特性曲线，而并不影响输出级的处理速度。