(57)【要約】【課題】スイッチングにより引き起こされる、増幅器の入力信号中のジャンプに追随する際における、その物理的に制限された機能に起因する、アナログ増幅器の伝達エラーを補正するための方法を提供すること。【解決手段】少なくとも１つのセンサ、ならびにセンサおよびアナログ増幅器に接続され、少なくとも１つの変調器および／またはマルチプレクサと、アナログ増幅器と、回路チェーン中におけるアナログ増幅器に続く少なくとも１つの処理ステージとを含む信号処理ユニットを含む測定デバイスにおいて、前記処理ステージは、スイッチングジャンプが起こる時点に応じて、アナログ増幅器と処理ステージとの間に配置され、タイムアウトコントローラによって制御されるスイッチを用いて所定のタイムアウトフェーズ存続期間中にアナログ増幅器から分離され、かつ／またはスイッチングジャンプが起こる時点に応じて、前記処理ステージは、所定のタイムアウトフェーズ存続期間中にタイムアウトコントローラによってブロックされる。【選択図】図１
2007174663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号処理ユニット（２０）が、少なくとも１つの変調器（ＭＯ）および／またはマルチプレクサ（ＭＸ）と、アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）と、回路チェーン中において前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）に続く少なくとも１つの処理ステージ（ＡＤ、ＡＥ）とを含み、スイッチングによって引き起こされる増幅器入力信号（Ｓ１、Ｓ２）におけるジャンプに追随する際に、その物理的に制限された機能に起因する前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）の伝達エラーを補正するための方法であって、
ａ）前記スイッチングジャンプが起こる時点に応じて、前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）の後続の前記処理ステージ（ＡＤ、ＡＥ）が、所定のタイムアウトフェーズ存続期間（ｔ１からｔ２、ｔ３から．．．）中に前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）から分離され、かつ／または
ｂ）前記スイッチングジャンプが起こる時点に応じて、前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）の後続の前記処理ステージ（ＡＤ、ＡＥ）が、所定のタイムアウトフェーズ存続期間（ｔ１からｔ２、ｔ３から．．．）中にブロックされることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記所定のタイムアウトフェーズ存続期間（ｔ１からｔ２、ｔ３から．．．）が、２と１０の間のファクタが乗ぜられた、前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）の立ち上がり時間（τ）または時定数に対応することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）の後続の前記処理ステージ（ＡＤ、ＡＥ）が、スイッチ（ＳＷ）を用いて前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）から分離され、前記スイッチ（ＳＷ）が、前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）と前記処理ステージ（ＡＤ、ＡＥ）との間に配置され、タイムアウトコントローラ（ＡＳ）によって作動させられることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記信号処理ユニット（１２０）が、回路チェーン中において前記アナログ増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）に続く復調スイッチ（ＤＭＳＷ）を備え、前記変調器（ＭＯ）のスイッチオーバコントローラ（ＵＳ）が、変調された信号の同期式復調のために前記復調スイッチ（ＤＭＳＷ）に作用し、タイムアウトコントローラ（ＡＳ）が、前記タイムアウトフェーズ存続期間（ｔ１からｔ２、ｔ３から．．．）中にタイムアウト信号（ＳＡ）を用いて前記復調スイッチ（ＤＭＳＷ）を高インピーダンススイッチングレベル（ＳＰ３）に、または高インピーダンス状態に保持することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記アナログ増幅器に続く前記処理ステージが、アナログ／デジタル変換器回路（ＡＤ）であり、タイムアウトフェーズを生成するために、タイムアウトコントローラ（ＡＳ）が、トリガ信号スイッチ（ＴＳＷ）を作動させ、前記トリガ信号スイッチ（ＴＳＷ）が、前記タイムアウトフェーズ存続期間（ｔ１からｔ２、ｔ３から．．．）中にＡ／Ｄ変換のために必要とされるトリガ信号（ＳＴＲ）を中断することを特徴とする、請求項１から４の一項に記載の方法。
【請求項６】
前記アナログ増幅器に続く前記処理ステージが、アナログ／デジタル変換器回路（ＡＤ）であり、タイムアウトフェーズを生成するために、タイムアウトコントローラ（ＡＳ）がＡ／Ｄ変換のために必要とされる信号を生成するトリガ信号ジェネレータ（ＴＲ）と一緒に、組み合わされたトリガ信号ジェネレータ／タイムアウトコントローラユニット（ＴＲＡＳ）を形成し、前記タイムアウトコントローラ（ＡＳ）によって生成されるタイムアウト信号（ＳＡ）が、前記タイムアウトフェーズ存続期間（ｔ１からｔ２、ｔ３から．．．）中にトリガ信号（ＳＴＲ）上に重ね合わされ、またはトリガ信号（ＳＴＲ）の生成が抑制されることを特徴とする、請求項１から４の一項に記載の方法。
【請求項７】
前記変調器（ＭＯ）および／または前記マルチプレクサ（ＭＸ）に、スイッチオーバコントローラ（ＵＳ）が装備され、タイムアウトコントローラ（ＡＳ）のタイムアウト信号（ＳＡ）が、前記スイッチオーバコントローラ（ＵＳ）のスイッチオーバ信号（ＳＳＷ）に応じて生成することができることを特徴とする、請求項１から６の一項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つのセンサ（１０、１１０、．．．）の出力信号が、前記増幅器（ＯＰ、ＤＯＰ）に対して増幅器入力信号（Ｓ１、Ｓ２）として供給されることを特徴とする、請求項１から７の一項に記載の方法。
【請求項９】
前記変調器（ＭＯ）を用いて、前記増幅器入力信号（Ｓ１、Ｓ２）、または前記センサの入力電圧が、交互に変化する方形波電圧信号として変調されることが好ましいことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも２つのセンサ（４１０、４１１、．．．）の出力信号が、前記マルチプレクサ（ＭＸ）を用いて、前記少なくとも１つのアナログ増幅器（ＯＰ）に対して逐次的に供給されることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
増幅器モジュールが、少なくとも１つのスイッチオーバコントローラ（ＵＳ）を有する少なくとも１つの変調器（ＭＯ）および／またはマルチプレクサ（ＭＸ）と、回路チェーン中において前記変調器（ＭＯ）および／またはマルチプレクサ（ＭＸ）の後に続く少なくとも１つのアナログ増幅器（ＯＰ）と、回路チェーン中において前記アナログ増幅器（ＯＰ）の後に続く少なくとも１つの処理ステージとを備え、前記処理ステージが、増幅器出力信号中に所定のタイムアウトフェーズ存続期間（ｔ１からｔ２、ｔ３から．．．）を伴うタイムアウトフェーズを生成する役割を果たす少なくとも１つのタイムアウト手段を含むことを特徴とする、請求項１から１０の一項に記載の方法を実施するように動作可能な増幅器モジュールまたは一体化された増幅器モジュール。
【請求項１２】
少なくとも１つの信号処理ユニット（２０）と、少なくとも１つのセンサ（１０）とを有し、前記信号処理ユニット（２０）が、スイッチオーバコントローラ（ＵＳ）を有する変調器（ＭＯ）および／またはマルチプレクサ（ＭＸ）を備え、少なくとも１つのアナログ増幅器（ＯＰ１、ＯＰ２）が、回路チェーン中において前記変調器（ＭＯ）および／またはマルチプレクサ（ＭＸ）の後に続き、少なくとも１つの処理ステージ（ＡＤ、ＡＥ）が、回路チェーン中において前記アナログ増幅器（ＯＰ１、ＯＰ２）に続く、請求項１から１０の一項に記載の方法を実施するように動作可能な測定デバイス（５０、１５０、．．．）であって、
前記少なくとも１つの信号処理ユニット（２０）が、増幅器出力信号（ＳＯ１ＣＦ、ＳＯ２ＣＦ）中において、所定のタイムアウトフェーズ存続期間（ｔ１からｔ２、ｔ３から．．．）を伴うタイムアウトフェーズを生成する役割を果たす少なくとも１つのタイムアウト手段を備えることを特徴とする、測定デバイス（５０、１５０、．．．）。
【請求項１３】
前記変調器（ＭＯ）が、前記アナログ増幅器（ＤＯＰ）の直前に配置され、前記変調器（ＭＯ）が、増幅器入力信号（Ｓ１、Ｓ２）の変調を行う役割を果たすことを特徴とする、請求項１２に記載の測定デバイス（５０）。
【請求項１４】
前記変調器（ＭＯ）が、前記少なくとも１つのセンサ（１１０）の前に配置され、前記変調器（ＭＯ）が、前記センサ（１０）および／または力測定セル（１０）の供給電圧（Ｕ０）の変調を行う役割を果たし、それによって増幅器入力信号（Ｓ１、Ｓ２）の変調を行う役割を果たすことを特徴とする、請求項１２に記載の測定デバイス（１５０）。
【請求項１５】
前記タイムアウト手段が、前記信号処理ユニット（２０）に割り当てられたスイッチ（ＳＷ）と、前記スイッチ（ＳＷ）に接続されたタイムアウトコントローラ（ＡＳ）とから成り、前記スイッチオーバコントローラ（ＵＳ）のスイッチオーバ信号（ＳＡ）が、前記タイムアウトコントローラ（ＡＳ）を作動させることができることを特徴とする、請求項１２から１４の一項に記載の測定デバイス（５０）。
【請求項１６】
前記タイムアウトコントローラ（ＡＳ）が、信号ジェネレータ（ＳＧ）と排他的論理和要素（ＥＸＯＲ）とを備え、信号ジェネレータ信号（ＳＳＧ）をスイッチオーバ信号（ＳＳＷ）と組み合わせることにより、前記排他的論理和要素（ＥＸＯＲ）が、タイムアウト信号（ＳＡ）を生成する役割を果たすことを特徴とする、請求項１５に記載の測定デバイス（５０）。
【請求項１７】
前記測定デバイス（１５０）が、回路チェーン中において前記アナログ増幅器（ＤＯＰ）に続くように構成された復調スイッチ（ＤＭＳＷ）を備えることを特徴とし、さらに前記復調スイッチ（ＤＭＳＷ）が、前記変調器（ＭＯ）の前記スイッチオーバコントローラ（ＵＳ）に接続され、前記タイムアウト手段が、前記復調スイッチ（ＤＭＳＷ）に接続されたタイムアウトコントローラ（ＡＳ）と、前記復調スイッチ（ＤＭＳＷ）中に一体化された高インピーダンススイッチングステージ（ＳＰ３）、または高インピーダンス状態に保持することができるスイッチング接点（ＳＫ７、ＳＫ８）を有する復調スイッチ（ＤＭＳＷ）とから成り、前記スイッチオーバコントローラ（ＵＳ）のスイッチオーバ信号（ＳＳＷ）が、前記高インピーダンススイッチングステージ（ＳＰ３）の前記タイムアウトコントローラ（ＡＳ）を作動させる適切な性質があり、前記タイムアウトコントローラ（ＡＳ）によって生成されるタイムアウト信号（ＳＡ）が、スイッチオーバ信号（ＳＳＷ）上に重ね合わせることができ、またはタイムアウト信号（ＳＡ）が、スイッチオーバ信号（ＳＳＷ）と組み合わせることができることを特徴とする、請求項１２から１４の一項に記載の測定デバイス（１５０）。
【請求項１８】
回路チェーン中において前記アナログ増幅器に続く前記処理ステージが、アナログ／デジタル変換器回路（ＡＤ）であり、前記タイムアウト手段が、トリガ信号スイッチ（ＴＳＷ）と、前記トリガ信号スイッチ（ＴＳＷ）に接続されたタイムアウトコントローラ（ＡＳ）とから成り、前記トリガ信号スイッチ（ＴＳＷ）が、Ａ／Ｄ変換のために必要とされるトリガ信号（ＳＴＲ）を中断し、さらに前記スイッチオーバコントローラ（ＵＳ）のスイッチオーバ信号（ＳＳＷ）が、前記タイムアウトコントローラ（ＡＳ）を作動させるのに適した性質のものであることを特徴とする、請求項１２から１４の一項に記載の測定デバイス（２５０）。
【請求項１９】
回路チェーン中において前記アナログ増幅器に続く前記処理ステージが、アナログ／デジタル変換器回路（ＡＤ）であり、前記タイムアウト手段が、Ａ／Ｄ変換のために必要とされるトリガ信号（ＳＴＲＡ）を生成する役割を果たす組み合わされたトリガ信号ジェネレータおよびタイムアウトコントローラ（ＴＲＡＳ）から成り、前記スイッチオーバコントローラ（ＵＳ）のスイッチオーバ信号（ＳＳＷ）が、前記タイムアウトコントローラ（ＡＳ）を作動させるのに適した性質のものであり、前記タイムアウトコントローラ（ＡＳ）が、トリガ信号（ＳＴＲＡ）を解放またはブロックする役割を果たすことを特徴とする、請求項１２から１４の一項に記載の測定デバイス（３５０）。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのセンサが、湿度センサ、温度センサ、圧力センサ、歪みゲージを有する力測定セル、または電磁力補償の原理による力測定セルであることを特徴とする、請求項１２から１９の一項に記載の測定デバイス（３５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その信号が信号処理ユニット中で増幅され、変換され、出力デバイスに伝送される方法、増幅器モジュール、および測定デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
アナログ増幅器、とりわけ演算増幅器および差動増幅器は、例えば温度センサ、湿度センサ、力センサ、または圧力センサの出力信号が変換され、処理される信号処理ユニット中において使用される。ほとんどの場合には、センサおよび信号処理ユニットは、いわゆる測定デバイス中へと組み合わされ、産業環境中で使用される。信号処理ユニットに対して非常に厳しい要件を課す有力なグループの測定デバイスが、力測定デバイス、とりわけ重量測定デバイスである。
【０００３】
熱解析機器、バランス測定機器、湿度測定機器などの重量測定デバイスは、精度または測定分解能に課される要件に応じて異なる設計に基づいた力測定セルを組み込んでいる。比較的経済的な設計についての代表的な一例が、変形体と歪みゲージとを有する力測定セルである。
【０００４】
一般的な傾向として、歪みゲージに基づいた力測定セルおよび力測定デバイスは、抵抗測定の原理に従って機能する。力測定セルおよび力測定デバイスは、歪みゲージの抵抗が、歪み、すなわち相対的な長さの変化に比例しており、また長さの変化が、次には力測定セルに作用する力に比例するという現象を利用している。高精度な測定を実施するために、歪みゲージは、多くの場合にブリッジ回路の形で接続される。
【０００５】
ブリッジ回路、ならびに半ブリッジ回路は、ブリッジ回路中で使用される抵抗のうちの少なくとも１つがその抵抗値に関して可変である回路構成としての当技術分野の知られている状態に属するものである。この条件は、知られているセンサの多くによって満たされる。例えば、歪みゲージの電気的抵抗は、歪みゲージが受けている歪みに依存して変化する。
【０００６】
コスト的な理由のために、また簡潔にするために、ユーザは、一般的に測定デバイスのためにＤＣ電源を選択し、したがってＤＣ増幅も選択するが、一般的に知られている技法上の制限に起因して、この選択は、多くの場合に短所を、具体的にはアナログ増幅器中の熱電圧エラーや電圧オフセットエラーなどのＤＣ電圧エラー、ならびに全体回路中における過大な低周波数ノイズを有することもある。異なる材料および温度が接続ジョイントに関与する場合には、熱電圧が、抵抗ブリッジからアナログ増幅器につながる必要とされるケーブルの接続ジョイントにおいて発生する可能性がある。これらのエラーは、受け入れることができる許容限度よりも低く保持される必要があり、あるいは換言すれば、測定信号は、エラー電圧とは明確に異なって見えることが必要である。
【０００７】
回路チェーン中に続くアナログ増幅器中の熱電効果、ノイズ効果、温度効果などの前述の測定エラーは、多くの場合に追加のＡＣ変調技法およびＡＣ増幅技法の適用によって低下させられる。この変調および増幅の技法についてはまた、ＥＰ０７６０９３６Ｂ２号に開示されている。搬送波周波数ジェネレータは、ブリッジ回路に供給されるＡＣ電圧信号（方形波ＡＣ電圧信号）を生成する。ブリッジの出力信号は、対称的な差動増幅器を経由して復調器へと渡される。切換スイッチの形態の復調器は、搬送波周波数ジェネレータによって制御される。
【０００８】
スイッチ型増幅器を有するアナログ増幅器回路は、多数の用途において使用される。この構成においては、測定ブリッジ回路から到着する２つの信号は、それぞれ２つのアナログ切換スイッチを用いて１つの測定フェーズ中に１つの演算増幅器に対して供給される。しかし、第２の測定フェーズ中には、信号接続は、クロスオーバされ（ｃｒｏｓｓ  ｏｖｅｒ）、そのために各信号は、それぞれ他の増幅器に対して供給されるようになる。センサ信号のこの交互の切換えは、例えば入力スイッチと同相で動作する２つのさらなるアナログ切換スイッチを用いて再び反転され、２つの増幅されたセンサ信号を直接経路上と、クロスオーバ経路上に交互に置くことになる。
【０００９】
これらの概念は、多数の利点をもたらす。
第１に、演算増幅器のオフセット電圧ドリフトは、抑制することができる。非スイッチ型差動増幅器においては、差動増幅器の２つの出力信号が互いに他方から差し引かれた後にも、出力信号はまた、増幅されたセンサ信号に加えて、差動増幅ファクタが乗ぜられたこれら２つの演算増幅器のオフセット電圧差も含んでいる。スイッチ型差動増幅器においては、第１の演算増幅器のオフセット電圧が、１つのフェーズ中に第１のセンサ信号に加えられるが、第２の演算増幅器のオフセット電圧は、第２のセンサ信号に加えられる。第２の測定フェーズ中のセンサ信号は、センサ信号が演算増幅器に供給される前にクロスオーバされるので、同じセンサ信号は、今や他の演算増幅器の各オフセット電圧を受け取ることになる。したがって、スイッチ型増幅器のオフセット電圧差は、測定フェーズごとにその極性を変化させる。測定フェーズが、例えば十分に高い周波数で互いに続く場合には、極性変化は、低域通過フィルタを用いて信号から除去を可能にするのに十分に高速になる。
【００１０】
第２の利点として、１／ｆノイズを抑制することができる。あらゆる演算増幅器は、ある種の周波数しきい値より低いところでおおよそ１／ｆ−関係に従う、ノイズのかなりの増大を示す。多数の用途においては、例えば歪みゲージの力測定セルを有する力測定デバイスにおいては、例えば０Ｈｚから１Ｈｚの範囲内における静的または非常にゆっくり変化する信号だけが対象となる。非スイッチ型差動増幅器では、これらの低周波数において優位を占める１／ｆノイズが、測定信号の上に重ね合わされ、それによって増幅されたセンサ信号の品質は、ひどく損なわれる。スイッチ型差動増幅器では、差動増幅器またはセンサの入力における切換スイッチは、静的または低周波数のセンサ信号が、周波数範囲において、スイッチコントローラのスイッチオーバ信号と折り重ねられ、また何よりもスイッチオーバ信号の周波数まで引き上げられるようにする。後者が、１／ｆ−周波数しきい値よりも十分に高い場合には、周波数範囲におけるこのポイントでずっと小さい、演算増幅器のホワイトノイズ（ｗｈｉｔｅ  ｎｏｉｓｅ）だけが折り重ねられたセンサ信号上に重ね合わされる。ホワイトノイズは、エンジニアリング科学および自然科学において、その振幅が電力密度スペクトル上で一定である物理ノイズとして知られている。ランダム信号の電力は、その電力密度スペクトルを全抵抗上で（負の無限大から正の無限大まで）積分することによって得られる。したがって、理論的な意味におけるホワイトノイズは、無限の信号エネルギーを有する。しかし、実際の場合においては、ホワイトノイズの電力密度は、非常に高い周波数において低下する。
【００１１】
差動増幅器の出力において第２の切換スイッチを用いて、センサ信号は、周波数特性に関してＤＣドメインまたは低周波数ドメインへともう一度折り重ねられる。さらに、演算増幅器の１／ｆノイズは、第２の切換スイッチにより、スイッチオーバ周波数に対して上方に折り重ねられる。このノイズは、その後に低域通過フィルタを用いて抑制することができる。
【００１２】
以上で説明している概念は、望ましい任意の形状の変調についてその主要な有効性が保持される。センサ信号は、例えば差動増幅器に対する入力の位置で正弦波変調することができる。差動増幅器の出力の位置で、信号は、その後に正弦波で制御された復調器を用いて復元することができる。
【００１３】
正弦波信号は、例えばＡＣ電圧源が使用可能な場合に、あるいは長い接続距離にわたっての信号の保全が主要な関心事である場合に選択される。実際には、より低価格をもたらす回路設計のための技術的要件がより少ないことに起因して、方形波信号を用いた変調が定着してきている。このタイプの変調は、多くの場合アナログスイッチを用いて実現される。
【００１４】
方形波ＡＣ変調では、例えばアナログスイッチを用いて増幅器の入力信号は、瞬間的に変化する。しかし、アナログ増幅器は、限られた帯域幅と立ち上がり時間しか有さないので、増幅器の出力信号は、これらの入力信号に速やかに追随することはできない。立ち上がり時間が、制限要素である場合、増幅器の出力信号は、ほぼ時間の線形関数として増加していくことになる。帯域幅が、制限要素である場合には、増幅器の出力信号は、ほぼ指数関数的減衰を伴う過渡的発振を行うことになる。いずれにしても、増幅器の出力信号が、増幅ファクタが乗ぜられた増幅器の入力信号に等しいという仮定は、過渡的発振中にはもはや正しくないことになる。しかし、仮定は、一定の増幅ファクタに基づいている。帯域幅と立ち上がり時間が一定である限り、増幅器出力信号中においてこれらによって引き起こされた伝達エラー（ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｅｒｒｏｒ）は、一定であると考えることができる。これらの伝達エラーは、例えば固定量としてのスケールファクタに組み込むことができ、したがって消滅することになる。
【００１５】
力測定セルの変形体についての新しい、非常に均一な材料、高度な製造方法、ならびに高精度の歪みゲージが、歪みゲージ技術にも基づいた高分解能の力測定セルを製造することを可能にしてきている。高分解能の力測定セルの性能を利用するためには、信号処理ユニットは、新しい要件に合うように適合化される必要がある。
【００１６】
同じ構造の異なるアナログ増幅器についての広範囲にわたる連続した研究により、アナログ増幅器の帯域幅と立ち上がり時間は、場合によってはユニットごとの、結果の広範な分散を示すという結論、またさらにアナログ増幅器は、同等な温度条件下で異なるように動作する（図１１参照）という結論が導かれた。この場合における用語「ユニット間の分散」は、同じ構造の要素の動作における、お互いに他に対する偏差を意味する。このようにして、研究により、過渡的減衰の速度、したがって結果として生じる振幅エラーが可変であるという結論が導かれてきている。したがって、スケールファクタについても同様に可変であり、同様にユニット間の分散と、温度の影響を受ける。これらの伝達エラーは、ユニット間の分散を個別にバランスさせること、および温度の影響の補償を実施することにより、除去する必要がある。この種のプロシージャは、コストをかなり増加させ、製造プロセスならびに製品をより高価なものにしてしまう。
【特許文献１】ＥＰ０７６０９３６Ｂ２号
【非特許文献１】Ｕ．Ｔｉｅｔｚｅ、Ｃｈ．Ｓｃｈｅｎｋ、「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇｓ−ｔｅｃｈｎｉｋ」（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｄｅｓｉｇｎ）、第１２版、第１増刷、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ  ２００２年、Ｃｈａｐｔｅｒ７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、本発明の目的は、測定デバイスの信号処理ユニットの一部分である少なくとも１つのアナログ増幅器の物理的に制限された動作機能に起因する伝達エラーの補正のための方法を開発することにある。さらなる目的は、この方法に従って動作する増幅器モジュールおよび測定デバイスを開発することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この目的を満たす解決方法は、それぞれ請求項１、請求項１１、および請求項１２に説明される方法、増幅器モジュール、および特徴を有する測定デバイスによってもたらされる。本発明の有利なさらなる開発された実施形態については、追加の請求項中で説明されている。
【００１９】
本発明による方法は、スイッチングによってもたらされる増幅器の入力信号中の急激な不連続、すなわちジャンプに追随する際におけるその物理的に制限された機能に起因するアナログ増幅器の伝達エラーを補正する役割を果たす。信号処理ユニットは、少なくとも１つの変調器および／またはマルチプレクサと、アナログ増幅器と、アナログ増幅器に続く少なくとも１つの処理ステージを含んでおり、ここで
ａ）スイッチングするジャンプが起こる時点に応じて、アナログ増幅器の後続の処理ステージは、所定のタイムアウトフェーズ中にアナログ増幅器から分離され、かつ／または
ｂ）スイッチングするジャンプが起こる時点に応じて、アナログ増幅器の後続の処理ステージは、所定のタイムアウトフェーズ中にブロックされる。
【００２０】
タイムアウトを制御するための構成は、スイッチングするジャンプを検出し、それによってタイムアウトフェーズをトリガするための手段を含んでいる。測定デバイスに、スイッチオーバコントローラを含む変調器および／またはマルチプレクサが装備されている場合、タイムアウトコントローラのタイムアウト信号は、スイッチオーバコントローラのスイッチオーバ信号に応じてトリガすることができる。
【００２１】
アナログ増幅器は、ある程度はユニットごとの結果の広範な分散を示すので、またさらにアナログ増幅器は、同等な温度条件下で異なるように動作するので、タイムアウトフェーズの存続期間は、アナログ増幅器の立ち上がり時間に応じてあらかじめ決定されることが好ましい。タイムアウトフェーズの長さが、２と７の間のファクタが乗ぜられたアナログ増幅器の立ち上がり時間に等しい場合、増幅器の出力信号中のユニット間の分散と温度の影響は、アナログ増幅器に続く処理ステージの信号出力より遅くならないうちに、大幅に除去されるようにすることができる。アナログ増幅器の立ち上がり時間は、（単位ｖ／μｓの）スルーレート（ｓｌｅｗ  ｒａｔｅ）から計算することができ、スルーレートは通常、増幅器の製造業者のデータシート中にリストアップされる。
【００２２】
帯域幅が、増幅器の制限要素である場合には、出力信号は、特性の時定数を有する指数関数にほぼ従うことになる。理想的には、タイムアウトフェーズの長さは、４と１０の間のファクタが乗ぜられる、アナログ増幅器の時定数に等しい。時定数は、例えば計算により、あるいは測定によって見出すことができる。
【００２３】
理にかなった解決方法としては、タイムアウトフェーズの長さは、したがって２と１０の間のファクタが乗ぜられた、増幅器の立ち上がり時間または時定数に等しく、いずれの場合にも決定は、２つのうちのどちらがより大きな値であるかによって左右されることになる。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態においては、アナログ増幅器の後続の処理ステージは、アナログ増幅器と処理ステージとの間に配置されたスイッチを用いてアナログ増幅器から分離され、ここでスイッチは、タイムアウトコントローラ回路によって作動させられる。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態においては、信号処理ユニットは、アナログ増幅器の後続の復調スイッチを含んでいる。変調器のスイッチオーバコントローラは、変調された信号の同期式復調を行うために復調スイッチを作動させ、またタイムアウトコントローラは、タイムアウト信号を加えることにより、タイムアウトフェーズ中に復調スイッチを高抵抗レベルに、または高抵抗状態に保持する。
【００２６】
もちろん、アナログ増幅器の後続の処理ステージは、アナログ／デジタル変換器回路であってもよく、ここでタイムアウトフェーズは、トリガ信号スイッチを作動させるタイムアウトコントローラによって生成され、またトリガ信号スイッチは、タイムアウトフェーズ中にＡ／Ｄ変換のために必要となるトリガ信号を中断させる。
【００２７】
アナログ増幅器の後続の処理ステージが、アナログ／デジタル変換器回路である場合には、タイムアウトフェーズは、タイムアウトコントローラと、Ａ／Ｄ変換のために必要とされるトリガ信号を生成するトリガ信号ジェネレータとを組み合わせることにより、生成することができる。トリガ信号ジェネレータとタイムアウトについてのこの組み合わされた制御を用いて、タイムアウトコントローラによって生成されるタイムアウト信号は、タイムアウトフェーズの存続期間中にトリガ信号上に重ね合わされ、あるいはトリガ信号の生成は抑制され、または遅延を伴って作動させられる。
【００２８】
変調器および／またはマルチプレクサにはスイッチオーバコントローラが装備されることが有利であり、そのためにタイムアウトコントローラのタイムアウト信号は、スイッチオーバコントローラのスイッチオーバ信号に応じて生成することができるようになる。
【００２９】
通常は、少なくとも１つのセンサの出力信号が、増幅器の入力信号として増幅器に対して送られる。もちろん少なくとも２つのセンサの出力信号を、マルチプレクサを用いて少なくとも１つのアナログ増幅器に対して逐次的に送ることも可能である。
【００３０】
本発明の有利な実施形態においては、増幅器の入力信号、またはセンサの入力電圧は、変調器を用いて方形波電圧信号として変調されることが好ましい。
前述の信号処理モジュールは、多数の測定デバイス中において使用するための増幅器モジュールとして設計することもできる。この増幅器モジュール、または一体化された増幅器モジュールは、少なくとも１つのスイッチオーバコントローラを有する少なくとも１つの変調器および／またはマルチプレクサと、変調器および／またはマルチプレクサの後続のチェーン中において続いている少なくとも１つのアナログ増幅器と、アナログ増幅器の後に続いている少なくとも１つの処理ステージとを含んでおり、ここで処理ステージは、所定のタイムアウトフェーズ存続期間を有する、増幅器の出力信号中におけるタイムアウトフェーズを生成する役割を果たす少なくとも１つのタイムアウト手段を含んでいる。
【００３１】
信号処理ユニットはまた、少なくとも１つの信号処理ユニットに加えて少なくとも１つのセンサを含む測定デバイス中において構成することもできる。信号処理ユニットは、スイッチオーバコントローラを有する変調器および／またはマルチプレクサを含んでいる。変調器および／またはマルチプレクサには、少なくとも１つのアナログ増幅器が続いており、また増幅器には、少なくとも１つの処理ステージが続いている。信号処理ユニットは、所定のタイムアウトフェーズ存続期間を有する、増幅器の出力信号中のタイムアウトフェーズを生成する役割を果たす少なくとも１つのタイムアウト手段をさらに含んでいる。
【００３２】
測定デバイスの一実施形態においては、変調器は、アナログ増幅器の直前に配置され、増幅器の入力信号の変調を行う役割を果たして、オフセット電圧ドリフトおよび１／ｆノイズに関する前述の問題を回避する。
【００３３】
測定デバイスの好ましい実施形態においては、変調器は、構成中において少なくとも１つのセンサの前に配置され、ここで変調器は、センサの供給電圧の変調と、したがって増幅器の入力信号の変調を行う役割を果たす。
【００３４】
本発明の特に好ましい実施形態においては、タイムアウトデバイスは、信号処理デバイスに属するスイッチと、スイッチに接続されたタイムアウトコントローラから構成される。理想的には、スイッチオーバコントローラのスイッチオーバ信号は、タイムアウトコントローラを作動させるのに適した性質のものであり、そのために入力信号中のスイッチングするジャンプの検出には、追加の要素が必要ではないようになる。
【００３５】
タイムアウトコントローラは、異なるやり方で制御信号を生成することができる。タイムアウト信号を生成する機能は、例えば追加の信号ジェネレータと、信号ジェネレータの信号とスイッチオーバ信号とを組み合わせる排他的論理和要素によって実施することができる。信号ジェネレータの信号とスイッチオーバ信号は、排他的論理和要素の信号入力端子に向けられる。排他的論理和要素は、Ｕ．Ｔｉｅｔｚｅ、Ｃｈ．Ｓｃｈｅｎｋ、「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇｓ−ｔｅｃｈｎｉｋ」（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｄｅｓｉｇｎ）、第１２版、第１増刷、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ  ２００２年、Ｃｈａｐｔｅｒ７中において説明されているいわゆる排他的論理和機能を実施する。入力値が等しくなくなるとすぐに、排他的論理和要素の出力は、１の値を取る。したがって、タイムアウトフェーズとフェーズ存続期間は、スイッチオーバ信号に対する信号ジェネレータの信号のフェーズオフセットによって制御される。
【００３６】
本発明を実現する前述の方法の代わりに、もちろん信号ジャンプの発生についての適切な検出器を用いて増幅器の入力信号を監視することが可能である。検出器がスイッチングするジャンプを検出するとすぐに、対応する信号が、タイムアウトコントローラに送られ、タイムアウトフェーズをトリガする。
【００３７】
さらなる一実施形態においては、測定デバイスは、復調スイッチが回路チェーン中でアナログ増幅器の後に続くように配置された復調スイッチを含んでいる。変調器のスイッチオーバコントローラに接続された復調スイッチは、復調スイッチ中で一体化された高インピーダンススイッチングステージを含んでおり、あるいは復調スイッチは、高インピーダンス状態に保持することができる。復調スイッチは、タイムアウトコントローラに接続され、ここでスイッチオーバコントローラのスイッチオーバ信号は、高インピーダンススイッチングステージのタイムアウト制御を作動させるのに適した性質のものであり、タイムアウトコントローラによって生成されるタイムアウト信号は、スイッチオーバ信号上で組み合わせ、または重ね合わせることができる。
【００３８】
測定デバイス中においてアナログ増幅器の後に続く処理ステージが、アナログ／デジタル変換器回路である場合、タイムアウト手段は、トリガ信号スイッチと、トリガ信号スイッチに接続されたタイムアウトコントローラであってもよく、ここでトリガ信号スイッチは、Ａ／Ｄ変換のために必要とされるトリガ信号を中断する。理想的には、この場合にも、スイッチオーバコントローラのスイッチオーバ信号は、タイムアウトコントローラを作動させ、またはトリガするために使用される。
【００３９】
アナログ増幅器の後続の処理デバイスがアナログ／デジタル変換器回路である測定デバイス中のさらなるタイムアウト手段は、Ａ／Ｄ変換のために必要とされるトリガ信号のうちの１つまたは複数の信号を生成する役割を果たす組み合わされたトリガ信号ジェネレータおよびタイムアウトコントローラとから成ることが可能であり、ここでスイッチオーバコントローラのスイッチオーバ信号は、タイムアウトコントローラを作動させるのに適しており、またタイムアウトコントローラは、トリガ信号を解放し、またはブロックする役割を果たす。
【００４０】
測定デバイスの少なくとも１つのセンサは、湿度センサ、温度センサ、圧力センサ、歪みゲージを有する力測定セル、または電磁力補償の原理による力測定セルであってもよい。
【００４１】
信号処理ユニットの設計に応じて、増幅器の出力信号は、信号がジャンプをタイムアウトすることにより「クリーンアップ（ｃｌｅａｎ  ｕｐ）」された後に、様々な手段によって理想的なアナログ増幅器またはデジタル増幅器から期待される、増幅器の出力信号の形式に持ち込むことができる。アナログの種類の信号処理ユニットにおいて、増幅器の出力信号を適合させる最も簡単な方法は、Ｒ／Ｃ低域通過部材を用いるものである。これは、古典的なサンプル・アンド・ホールドの概念によるものである。タイムアウトフェーズの失われた信号の部分がブリッジされないが固定された電圧、例えば０．０ボルトに設定される場合、回路チェーン中におけるＡ／Ｄ変換器に続くプロセッサを用いて補正ファクタを適用することにより、Ａ／Ｄ変換器を離れるデジタル化された測定信号を補正することがもちろん可能でもある。
【００４２】
高精度測定デバイスにおいては、必要とされる精度を満たすために非常な高精度で機能する増幅器を使用することが、今まで必要であった。これらの高精度で高速な増幅器は、非常に高価であり、大量の電流を消費する。したがって、本発明による方法を使用することにより、測定デバイスの精度を損なわずに非常に費用対効果の大きいあまり高精度でない増幅器を使用する問題のない方法が提供される。これは、信号処理ユニットが、回路チェーン中において互いに後に続くいくつかの増幅器を有し、また増幅器のすべてのエラーが、増幅器チェーンの端部において単一のタイムアウト手段を用いて除去される場合に、特に当てはまる。
【００４３】
もちろん、個別の各増幅器は、それ自体のタイムアウト手段を有することも可能である。このタイプの設計概念が、前述の方法を実施するように動作可能である一体化された増幅器モジュールとして実装されることが理想的である。
【００４４】
本発明について、以降では図面を参照してより詳細に説明している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
図１は、ホイートストーンブリッジ回路の形式で示されるセンサ１０を有する測定デバイス５０の概略的な図を与えるものである。実際のセンサ要素は、その電気抵抗の量が可変である必要があり、そのためにその抵抗値は、理想的な場合に測定すべきパラメータに対する線形依存性を示し、または少なくとも知られている体系的な関係に従ってパラメータに従うようになる。知られているように、フルブリッジ回路中の４個の体系的に表された抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のうちの少なくとも１つ、または半ブリッジ中の２個の抵抗Ｒ１、Ｒ２のうちの少なくとも１つは、可変である。力測定セルの歪みゲージは、この種の回路構成についての一例を表すものである。動作電圧Ｕ０が、ホイートストーンブリッジ回路のノードＫ１およびＫ２に印加される。これら２つのノードＫ３およびＫ４は、これらがちょうど名前が付けられている、逐次的な順序で互いに他の後に続くように接続された異なる処理ステージＭＯ、ＤＯＰ、ＤＭＯ、ＳＷ、ＳＨ、ＡＤ、ＡＥを含む信号処理ユニット２０に接続されている。信号処理ユニットの第１の処理ステージは、少なくとも２つのスイッチング接点ＳＫ１、ＳＫ２を有する変調器ＭＯであり、ここでスイッチング接点ＳＫ１は、ノードＫ３に接続され、スイッチング接点ＳＫ２は、ノードＫ４に接続されている。スイッチング接点ＳＫ１、ＳＫ２のスイッチ位置に応じて、ノードＫ３およびＫ４は、常に電気的には互いに分離されているが、差動増幅器ＤＯＰのうちの第１の増幅器ＯＰ１の増幅器信号入力端子、または第２の増幅器ＯＰ２の増幅器信号入力端子に交互に接続される。差動増幅器ＤＯＰには、回路チェーン中において復調器ＤＭＯが続き、復調器ＤＭＯの設計は、変調器ＭＯの設計と同じである。したがって、復調器ＤＭＯは、同様に少なくとも２つの入力端子と、少なくとも２つの出力端子と、少なくとも２つのスイッチング接点ＳＫ３、ＳＫ４とを有し、スイッチング接点ＳＫ３は、増幅器ＯＰ１の増幅器出力端子に接続され、スイッチング接点ＳＫ４は、増幅器ＯＰ２の増幅器出力端子に接続されている。４つのスイッチング接点ＳＫ１、ＳＫ２、ＳＫ３、ＳＫ４は、スイッチオーバコントローラを用いて同期式に作動させられる。復調器ＤＭＯには、復調器ＤＭＯと少なくとも同じ数のスイッチング接点ＳＫ５、ＳＫ６を有するスイッチＳＷが回路チェーン中において続いている。これら２つのスイッチング接点ＳＫ５、ＳＫ６のそれぞれは、復調器ＤＭＯの一方の出力端子に接続され、これらの出力端子を、後続の処理ステージＳＨ、ＡＤ、ＡＥに接続するか、またはこれらの出力端子を高インピーダンスにスイッチングする。したがって、復調器ＤＭＯの出力端子は、後続の処理ステージＳＨ、ＡＤ、ＡＥに接続されるか、またはこれらから分離されるかのいずれかになる。スイッチング接点ＳＫ５、ＳＫ６は、タイムアウトコントローラＡＳを用いて作動させられる。好適にはタイムアウトコントローラＡＳは、信号接続ＳＬを用いてスイッチオーバコントローラＵＳに接続され、そのためにスイッチオーバコントローラＵＳのスイッチオーバ信号ＳＳＷが、同時にタイムアウト信号ＳＡをトリガする役割を果たすようになる。トリガは、スイッチング接点ＳＫ５、ＳＫ６を高インピーダンスに設定する。タイムアウトフェーズ存続期間は、固定量として定義し、メモリに記憶することができる。しかし、タイムアウトコントローラＡＳはまた、タイムアウトフェーズの存続期間を初期化中に計算することを可能にし、その結果存続期間が動作フェーズ中には固定された設定のままであるようにする、プロセッサやメモリなどの手段を含むこともできる。タイムアウトフェーズの終わりに、スイッチング接点ＳＫ５、ＳＫ６は、リセットされ、そのために復調器ＤＭＯの出力端子が再び後続の処理ステージＳＨ、ＡＤ、ＡＥに接続されるようになる。もちろん、タイムアウトフェーズ存続期間は、タイミング部材を用いてハードウェアの形で定義することもできる。したがって、タイムアウトサイクルは、変調器ＭＯおよび復調器ＤＭＯのスイッチオーバサイクルに従う。後続の処理ステージＳＨ、ＡＤ、ＡＥは、信号のさらなる処理を行う役割を果たすにすぎず、信号経路ごとの１つのＲ／Ｃ低域通過部材から成るサンプル・アンド・ホールド処理ステージＳＨは、タイムアウトフェーズ上でブリッジする役割を果たす。アナログ信号は、通常アナログ／デジタル変換器回路ＡＤを用いてデジタル信号に変換され、さらに演算処理するためのプロセッサに対して、またはインジケータユニットＡＥに対して向けられる。本実施例においては、２つのＡ／Ｄ変換器ＡＤ１、ＡＤ２のうちの一方が各信号経路に割り当てられる。図１に示されるすべての信号については、図４との関連で詳細に説明することにする。
【００４６】
センサ１０と信号処理ユニット２０を有する測定デバイス５０が、図２に概略的に示されている。すべての要素は、図１の要素に対応し、タイムアウトコントローラＡＳが、もっと特別に詳細に示されている。タイムアウトコントローラＡＳは、信号ジェネレータＳＧと排他的論理和要素ＥＸＯＲから構成される。信号ジェネレータの信号ＳＳＧとスイッチオーバ信号ＳＳＷは、排他的論理和要素ＥＸＯＲの信号入力端子に向けられる。入力値ＳＳＧ、ＳＳＷが等しくなくなるとすぐに、タイムアウト信号ＳＡは、スイッチング接点ＳＫ５、ＳＫ６を作動させる。これが、どのようにしてタイムアウトフェーズ、ｔ１からｔ２、ｔ３からｔ４、ｔ５からｔ．．．が、スイッチオーバ信号ＳＳＷに対する信号ジェネレータの信号ＳＳＧのフェーズオフセットを用いて設定されるフェーズ存続期間と共に生成されるかである。図２に示される信号のすべてについて、図４の関連で以下に詳細に説明することにする。
【００４７】
図３は、センサ１１０を有し、信号処理ユニット１２０を有する測定デバイス１５０を概略的に示している。図１の復調器ＤＭＯとスイッチＳＷがない点以外は、他のすべての要素は、図１の要素に対応する。回路中の個々の処理ステージの構成に関して、図１との違いは単に、センサ１５０が今や変調器ＭＯと差動増幅器ＤＯＰとの間に配置されて、ＡＣ電圧で動作させられる測定ブリッジ回路の前述の利点からの恩典を得るようになっていることにすぎない。図１の回路と比べて図３に示される回路の顕著な違いは単に、図１の関連で説明された復調器ＤＭＯとスイッチＳＷの処理ステージは今や、互いに組み合わされていることにすぎない。復調スイッチＤＭＳＷ中には、高インピーダンスのスイッチングステージＳＰ３が一体化されており、高インピーダンスのスイッチングステージＳＰ３は、復調スイッチＤＭＳＷの信号出力におけるスイッチング接点ＳＫ７、ＳＫ８のそれぞれのこれら２つのスイッチング位置ＳＰ１とＳＰ２との間に配置されている。スイッチングステージＳＰ３を使用する代わりに、スイッチング接点ＳＫ７、ＳＫ８が、スイッチング位置ＳＰ１とＳＰ２との間の高インピーダンス状態に保持される場合、ユーザは、同じ目的を達成することができる。スイッチオーバコントローラＵＳならびにタイムアウトコントローラＡＳは、スイッチング接点ＳＫ７、ＳＫ８に作用し、そのためにタイムアウトフェーズが、例えばコントローラ要素ＡＳおよびＵＳの制御信号を互いに重ね合わせることにより、生成されるようになる。
【００４８】
図４は、図１、２および３中で生じる最も重要な信号プロファイルを示すものである。第１のグラフは、スイッチオーバ制御信号ＳＳＷの可能な時間プロファイルを示している。第２のグラフは、第１の増幅器ＯＰ１の出力における第１の出力信号ＳＯ１を示している。図１１にも示され、説明の関連する部分において以下で詳細に説明しているように、立ち上がり時間と帯域幅は制限されており、これは出力信号に影響を及ぼすことが明らかに分かる。同様に、スルーレートα１、α２は、周期ごとに変化し得ることが明らかに分かる。
【００４９】
第３のグラフは、第２の増幅器ＯＰ２の第２の出力信号ＳＯ２を示している。この場合にも、限られた立ち上がり時間と帯域幅の影響が明らかに分かる。第４のグラフは、可能なタイムアウト信号ＳＡを示し、ここでは低いアクティブなスイッチングレベルで示されている。第５のグラフは、スイッチング接点ＳＫ５、ＳＫ６が、第１のグラフで示されるスイッチオーバ信号ＳＳＷによって同様に作動させられる場合に、第１の出力信号ＳＯ１Ｃが復調器ＤＭＯの後に現れる形式で第１の復調された出力信号ＳＯ１Ｃを表す。タイムアウトフェーズｔ１からｔ２、ｔ３からｔ４、およびｔ５からｔ．．．の間の第１の復調された出力信号ＳＯ１Ｃ中の一時的スランプＥ１、Ｅ２、Ｅ３が、明らかに分かる。破線は、第１の出力信号ＳＯ１Ｃが、復調され、サンプル・アンド・ホールド処理ステージＳＨのＲＣ低域通過フィルタを用いてフィルタされた後に、第１のＡ／Ｄ変換器ＡＤ１の入力に現れるときの出力信号ＳＯ１ＣＦを示している。個々のサンプルフェーズＳＭとホールドフェーズＨＯが、同様にグラフ中に示され、サンプリングと保持のフェーズが、どのようにしてタイムアウト信号ＳＡに従って交代するかを明らかに示す。第６のグラフは、同様に復調器の後の対応する第２の復調された出力信号ＳＯ２Ｃと、第２のＡ／Ｄ変換器ＡＤ２の入力における関連する復調され、フィルタされた第２の出力信号ＳＯ２ＣＦとを示している。
【００５０】
図５に概略的に示されるそのセンサ２１０とその信号処理ユニット２２０を有する測定デバイス２５０は、センサ２１０から復調器ＤＭＯの信号出力端子までの回路中の処理ステージと構成に関して図１中に示される実施形態と同様な設計である。ここでも、差動増幅器ＤＯＰが、２つの増幅器ＯＰ１およびＯＰ２と共に使用される。スイッチＳＷとサンプル・アンド・ホールド回路ＳＨの２つの処理ステージの代わりに、復調器ＤＭＯの信号出力端子のそれぞれは、各Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１、ＡＤ２の信号入力端子に直接に接続される。ある種のＡ／Ｄ変換器が使用される場合には、サンプル・アンド・ホールド処理ステージＳＨは、省略することができる。タイムアウトフェーズを生成するために、タイムアウトコントローラＡＳは、タイムアウトフェーズの存続期間にわたってトリガ信号ジェネレータＴＲとＡ／Ｄ変換器ＡＤ１、ＡＤ２との間のトリガ信号接続２２１を中断するトリガ信号スイッチＴＳＷを作動させる。知られているように、Ａ／Ｄ変換器がトリガ信号を受け取る場合に限り、Ａ／Ｄ変換器は、その機能を実施する。したがって、トリガ信号接続２２１を中断させることにより、Ａ／Ｄ変換はブロックされる。後続の処理ステージは、図１と同じタイプのもの、すなわちさらに演算を処理するためのプロセッサまたはインジケータユニットＡＥである。図５に示される信号のすべてについて、以下に続く図６の説明中で詳細に説明することにする。
【００５１】
図６は、図５中で生じる最も重要な信号プロファイルを示すものである。第１のグラフは、スイッチオーバ制御信号ＳＳＷの可能な時間プロファイルを示している。第２のグラフは、第１の増幅器ＯＰ１の出力における第１の出力信号ＳＯ１を示している。同様な表現で、第３のグラフは、第２の増幅器ＯＰ２の第２の出力信号ＳＯ２を示している。第４のグラフは、可能なタイムアウト信号ＳＡを示しており、ここでは低いアクティブなスイッチングレベルで示されている。第５のグラフは、スイッチング接点ＳＫ５、ＳＫ６が、第１のグラフで示されるスイッチオーバ信号ＳＳＷによって同様に作動させられる場合に、第１の出力信号ＳＯ１Ｃが復調器ＤＭＯの後に現れる形式で第１の復調された出力信号ＳＯ１Ｃを表す。タイムアウトフェーズｔ１からｔ２、ｔ３からｔ４、およびｔ５からｔ．．．の間の第１の復調された出力信号ＳＯ１Ｃ中の一時的スランプＥ１、Ｅ２、Ｅ３が、明らかに分かる。第７のグラフは、Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１、ＡＤ２についての可能なトリガ信号ＳＴＲを示している。明らかに分かるように、トリガ信号スイッチＴＳＷを作動させるタイムアウト信号ＳＡは、タイムアウトフェーズｔ１からｔ２、ｔ３からｔ４、およびｔ５からｔ．．．の間にＡ／Ｄ変換器のトリガを抑制する。
【００５２】
図７に示される測定デバイス３５０は、実質的に図５の実施形態と同じ構成要素を有する。回路中の構成は、同様に図５に類似しており、以上で説明している。図７が示すように、タイムアウトおよびトリガ信号ＳＴＲＡは、トリガ信号ジェネレータと、タイムアウトコントローラとを含む組み合わされたユニットＴＲＡＳ中で生成することもできる。この構成では、図５のトリガ信号スイッチＴＳＷが、除去されている。この種の組み合わされたコントローラは、ハードウェアおよび／またはソフトウェアを用いて実現することができる。例えば、タイムアウト信号ＳＡは、トリガ信号ＳＴＲの生成に直接に作用することができ、すなわち抑制を引き起こすことができる。組み合わされたトリガ信号ＳＴＲＡでは、Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１、ＡＤ２のＡ／Ｄ変換は、タイムフェーズｔ２からｔ３、ｔ４からｔ５、．．．の間イネーブルにされ、タイムアウトフェーズｔ１からｔ２、ｔ３からｔ４、ｔ５からｔ．．．の間ブロックされる。図８に示されるように、単一の組み合わされたトリガ信号ＳＴＲＡだけが、各変調器フェーズ中にＡ／Ｄ変換器について生成される。しかし、変換の開始は、Ａ／Ｄ変換器の入力端子における信号にエラーがないように、タイムアウトコントローラによって制御することができる。スイッチオーバコントローラＵＳが、組み合わされたコントローラＴＲＡＳに一体化される場合には、コントローラ構成要素のさらなる一体化さえ、同様に可能となる。
【００５３】
図８に示される信号プロファイルＳＳＷ、ＳＯ１、ＳＯ２、ＳＯ１Ｃ、ＳＯ２ＣおよびＳＡは、図６中の同じ記号によって識別される信号プロファイルに正しく対応している。第７のグラフは、Ａ／Ｄ変換器についての可能な組み合わされたトリガ信号ＳＴＲＡを示している。グラフにより、タイムアウトフェーズｔ１からｔ２、ｔ３からｔ４、ｔ５からｔ．．．の終了後に、すなわち増幅器の出力信号のうちの、間違った部分の後に、どのようにしてタイムアウト信号ＳＡが、Ａ／Ｄ変換器の開始をトリガするかが明らかになる。変換時間ｔＡＤ１、ｔＡＤ２、ｔＡＤ３、．．．は、破線により示される。これらの時間間隔中に、変換すべき信号ＳＯ１Ｃ、ＳＯ２Ｃは、増幅器の過渡的発振によって悪影響を及ぼされてはいけない。
【００５４】
図９は、複数のセンサ、または力測定セル４１０、４１１、４１２、４１３、４１４を有し、マルチプレクサＭＸが装備された信号処理ユニット４２０を有する測定デバイス４５０を概略的に示している。測定デバイス４５０と、信号処理ユニット４２０について一般的に適用可能なこのさらなる構成では、増幅器の入力信号Ｓ中のスイッチングジャンプに追随する、信号処理ユニットの物理的に限られた機能に起因するアナログ増幅器ＯＰの伝達エラーは、同様に本発明による方法によって防止される。例えばいくつかのセンサ４１０、４１１、４１２、４１３、４１４のセンサ信号が、マルチプレクサＭＸを介して増幅器ＯＰに逐次的に供給される場合には、増幅器の出力信号ＳＯ中のこのタイプの伝達エラーが、生じる可能性がある。この場合には、増幅器の出力は、スイッチング接点ＳＫの各スイッチングイベントの後に新しい値を設定する必要がある。前述の方法と同様に、後続の処理ステージは、図１、２および３に示されるように、影響を受けた信号部分Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３のそれぞれの間に、分離することができる。もちろん、さらなる処理はまた、図５または図６中に示されるように、タイムアウトフェーズｔ１からｔ２、ｔ３からｔ４、ｔ５からｔ．．．の間に組み合わされたトリガ信号タイムアウトスイッチＴＲＡＳを用いて、後続の処理ステージ、すなわちこの場合にはアナログ／デジタル変換器ＡＤをブロックすることにより、抑制することもできる。信号接続ＳＬを用いて、組み合わされたトリガ信号タイムアウトスイッチＴＲＡＳは、マルチプレクサＭＸのスイッチオーバコントローラＵＳと調和させられ、それによって組み合わされたトリガ信号ＳＴＲＡのタイムアウトフェーズは、スイッチオーバ信号ＳＷＸと同期させられる。
【００５５】
図１０は、図９中で生じる最も重要な信号プロファイル、すなわちＳＳＷＸ、ＳＯ、ＳＡおよびＳＴＲＡを示すものである。第１のグラフは、マルチプレクサスイッチオーバ制御信号ＳＳＷＸの可能な時間プロファイルを示しており、値は、１６進数コードで示されている。
【００５６】
第２のグラフは、増幅器の可能な出力信号ＳＯを表している。このグラフも、同様に増幅器ＯＰの立ち上がり時間と帯域幅が、どのようにして制限されるかと、これが増幅器の出力信号ＳＯに対して及ぼす影響を明らかに示している。増幅器の出力信号ＳＯは、異なる測定セルの出力信号から構成されるので、異なる信号周期の各振幅は、同様に互いに異なる。第３のグラフは、組み合わされたトリガ信号タイムアウトコントローラが、外部に対して送っていないが、組み合わされたトリガ信号ＳＴＲＡを生成する内部処理を行う役割を果たす可能なタイムアウト信号ＳＡを示している。
【００５７】
第４のグラフは、Ａ／Ｄ変換器についての組み合わせられたトリガ信号ＳＴＲＡを示している。グラフは、影響を受けた増幅器の出力信号ＳＯの欠陥のある信号部分Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の終了後に、どのようにしてタイムアウト信号ＡＳが、Ａ／Ｄ変換器の開始をトリガするかを明らかにする。変換時間間隔ｔＡＤ１、ｔＡＤ２、ｔＡＤ３、．．．は、破線により示される。これらの時間間隔中に、変換すべき信号は、増幅器の過渡的発振によって悪影響を及ぼされてはいけない。
【００５８】
図１１は、同じ構造の増幅器中のユニット間の分散と、温度の影響を示す役割を果たす、当技術分野の既存の状態による増幅器回路の異なる信号プロファイルを示すものである。時刻ｔ１における増幅器の入力信号ＳＯＰｉｎのジャンプと、時刻ｔ２におけるさらなるジャンプと共に、理論的な増幅器の出力信号ＳＯＰｏｕｔＴは、同様にジャンプのように時間遅延なしに増幅器の入力信号ＳＯＰｉｎに追随する。しかし実際には、増幅器は、その機能の物理的制限に起因して全く異なった動作を示す。増幅器は、スルーレートαから計算することができるある種の立ち上がり時間τを有する。しかし、フィードバック抵抗およびフィードバックキャパシタによって深刻な影響を受け、ほぼ指数関数に従う、増幅器の過渡的応答動作が、応答信号のこの理論的な立ち上がりに重ね合わされる。これは、例えば増幅器の２０°Ｃの動作温度において、出力信号グラフＳＯＰｏｕｔ１に従う増幅器の出力信号をもたらす。この信号が、引き続き低域通過フィルタを用いて平滑化される場合、結果として生じる信号は、一般に信号グラフＳＯＰｏｕｔＦのように成形される。測定が、同じ温度で第２の同様に構築された増幅器上で行われる場合、第２の増幅器は、例えば図１１中の出力信号のグラフＳＯＰｏｕｔ２によって表されるように第１の増幅器からずれた出力信号を有しているかも知れない。１つの同じ構成要素を伴う実験はまた、過渡的動作が異なる動作温度と共に大きく変化することになるという結論をもたらしている。したがって、６０°Ｃの動作温度における第１の増幅器の出力信号は、例えば出力信号グラフＳＯＰｏｕｔ３に従う可能性がある。明らかに、これらの３つのグラフのフィルタされた増幅器の出力信号はまた、異なる振幅を有することになる。
【００５９】
本発明による方法は、歪みゲージ力測定トランスデューサを有する測定デバイスに適用可能であるばかりでなく、本発明による方法が、電磁力補償の原理に従って動作する測定デバイス中において使用することもできることは、自明である。さらに、湿度センサ、温度センサ、電界効果トランジスタセンサなどのセンサのどのような出力信号も、アナログ増幅器を用いて増幅することができ、また本発明による方法を用いて、増幅器の出力信号については、スイッチングアクティビティに起因する増幅器の入力信号におけるジャンプに追随するアナログ増幅器の物理的に制限された機能に起因する、アナログ増幅器の伝達エラーをなくすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】ホイートストーンブリッジの形式で示されるセンサを有し、スイッチと、スイッチに接続されたタイムアウトコントローラとを含むタイムアウト手段が装備された信号処理ユニットを有する測定デバイスを概略的に示す図である。
【図２】信号ジェネレータと排他的論理和要素を含むタイムアウトコントローラを有する、図１の測定デバイスを示す図である。
【図３】ホイートストーンブリッジの形式で示されるセンサを有し、復調器中に一体化された高インピーダンススイッチングステージと、復調器に接続されたタイムアウトコントローラとを含むタイムアウト手段が装備された信号処理ユニットを有する測定デバイスを概略的に示す図である。
【図４】図１、２および３において生じる最も重要な信号プロファイルを示す図である。
【図５】ホイートストーンブリッジの形式で示されるセンサ、または力測定セルを有し、トリガ信号スイッチと、トリガ信号スイッチに接続されたタイムアウトコントローラとを含むタイムアウト手段が装備された信号処理ユニットを有し、トリガ信号スイッチが、Ａ／Ｄ変換のために必要とされるトリガ信号ジェネレータのトリガ信号を中断する測定デバイスを概略的に示す図である。
【図６】図５において生じる最も重要な信号プロファイルを示す図である。
【図７】ホイートストーンブリッジの形式で示されるセンサ、または力測定セルを有し、トリガ信号スイッチとタイムアウトコントローラとの組合せを含むタイムアウト手段が装備された信号処理ユニットを有し、タイムアウトコントローラがトリガ信号の解放およびブロックを引き起こす測定デバイスを概略的に示す図である。
【図８】図７において生じる最も重要な信号プロファイルを示す図である。
【図９】いくつかのセンサまたは力測定セルを有し、マルチプレクサと、トリガ信号スイッチとタイムアウトコントローラの組合せを表すタイムアウト手段とが装備された信号処理ユニットを有し、タイムアウトコントローラが、トリガ信号の解放とブロックを引き起こす測定デバイスを概略的に示す図である。
【図１０】図９において生じる最も重要な信号プロファイルを示す図である。
【図１１】従来技術の状態による増幅器回路の異なる信号プロファイルを表して、異なるユニット間の特性における分散を示し、温度の影響を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１１０、２１０  センサ
２０、１２０、２２０、４２０  信号処理ユニット
５０、１５０、２５０、３５０、４５０  測定デバイス
２２１  トリガ信号接続
４１０、４１１、４１２、４１３、４１４  センサまたは力測定セル
ＡＤ  アナログ／デジタル変換器回路
ＡＤ１  第１のＡ／Ｄ変換器
ＡＤ２  第２のＡ／Ｄ変換器
ＡＥ  インジケータユニット
ＡＳ  タイムアウトコントローラ
ＤＭＯ  復調器
ＤＭＳＷ  復調スイッチ
ＤＯＰ  差動増幅器
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３  一時的スランプ
ＥＸＯＲ  排他的論理和要素
ＨＯ  ホールドフェーズ
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４  ノード
ＭＯ  変調器
ＭＸ  マルチプレクサ
ＯＰ  アナログ増幅器、増幅器
ＯＰ１  第１の増幅器
ＯＰ２  第２の増幅器
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４  抵抗
Ｓ  増幅器入力信号
ＳＡ  タイムアウト信号
ＳＧ  信号ジェネレータ
ＳＨ  サンプル・アンド・ホールド処理ステージ
ＳＫ  スイッチング接点
ＳＫ１、ＳＫ２、ＳＫ３、ＳＫ４、ＳＫ５、ＳＫ６、ＳＫ７、ＳＫ８  スイッチング接点
ＳＬ  信号接続
ＳＭ  サンプルフェーズ
ＳＯ  増幅器出力信号
ＳＯ１  第１の出力信号
ＳＯ１Ｃ  第１の復調された出力信号
ＳＯ１ＣＦ  第１の復調されフィルタされた出力信号
ＳＯ２  第２の出力信号
ＳＯ２Ｃ  第２の復調された出力信号
ＳＯ２ＣＦ  第２の復調されフィルタされた出力信号
ＳＰ１、ＳＰ２  スイッチ位置
ＳＰ３  高インピーダンススイッチングステージ
ＳＳＧ  信号ジェネレータ信号
ＳＳＷ  スイッチオーバ信号、スイッチオーバ制御信号
ＳＳＷＸ  マルチプレクサスイッチオーバ制御信号
ＳＴＲ  トリガ信号
ＳＴＲＡ  タイムアウトおよびトリガ信号、組み合わされたトリガ信号
ＳＷ  スイッチ
ｔＡＤ１、ｔＡＤ２、ｔＡＤ３、．．．  変換時間期間
ＴＲ  トリガ信号ジェネレータ
ＴＲＡＳ  トリガ信号ジェネレータとタイムアウトコントローラを含む組み合わされたユニット、組み合わされたコントローラ、組み合わされたトリガ信号タイムアウトスイッチ
ＴＳＷ  トリガ信号スイッチ
ＵＳ  スイッチオーバコントローラ
α  スルーレート
τ  立ち上がり時間
【図１】
2007174663.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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