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PTB-Kalibriereinrichtung für digitale Brücken zum Vergleich von elektronischen Messwandlern mit Analog- und Digital-Ausgang

18.02.2005

Digitale Brücken ermitteln die Messabweichung und den Fehlwinkel von elektronischen Messwandlern mit Digitalausgang durch Vergleich mit Referenz- bzw. Normalwandlern mit Analogausgang. Zur Kalibrierung der Brücken werden die Ausgangsgrößen der digitalen und analogen Messwandler elektronisch generiert und an die Brücke angelegt. Durch Variation des analogen Signals bezüglich Amplitude und Phase wird die Brücke im gewünschten Arbeitsbereich kalibriert.

 Das Bild zeigt die in der PTB entwickelte und aufgebaute Messschaltung. Mittels einer digitalen Doppel-Wechselspannungsquelle DWQ werden aus einem gemeinsamen 10-MHz-Takt die Spannungen URef und UKal synthetisiert. URef wird bezüglich der Amplitude symmetrisch zum höchstwertigen Adressbit MSB des DA-Wandlers erzeugt, wodurch genau im Nulldurchgang der synthetisierten Spannung eine Spitze ("Marker", verursacht vom Einschalten des MSB) erscheint.

UKal kann gegenüber URef durch Programmierung in der Phase verschoben und mit einem induktiven Spannungsteiler IST in der Amplitude eingestellt werden. Die Amplitude vonUKal und die Phase zu URef wird mit dem Abtastsystem AS gemessen.

Ein Test Pattern Generator TG erzeugt einen permanenten Datenstrom mit berechneten Abtastwerten einer (idealen) Sinusschwingung Uideal von beispielsweise 5 V bei der Frequenz 50 Hz. Im Nulldurchgang dieser Sinusschwingung wird eine positive Flanke des PPS-Signals (ein Impuls pro Sekunde) generiert. Da alle Vorgänge des Generators aus dem 10-MHz-Systemtakt abgeleitet werden, sind die Signale PPS, URef und UKal phasenstarr miteinander verbunden. Eine Synchronisation sorgt weiterhin für eine Kopplung des PPS-Signals mit dem MSB von URef. Eine systembedingte Zeitverschiebung tS zwischen dem PPS-Signal und dem Nulldurchgang von URef wird oszilloskopisch bestimmt. Unter Berücksichtigung von tS wird schließlich die Amplitude von UKal auf 5 V und die Phase derart eingestellt, dass ein reales Abbild der berechneten Spannung Uideal entsteht, das "in Phase" mit dem PPS-Signal ist. Dieses Kalibriersignal sowie der Datenstrom und das PPS-Signal werden an die Eingänge der Brücke DB gelegt. Eine ideale Brücke zeigt dann für Messabweichung und Fehlwinkel Null an. Anschließend wird UKal definiert nach Betrag und Phase verändert.

Mit UKal lassen sich Spannungen zwischen 1 V und 7 V bei Frequenzen um 50 Hz darstellen, die Phase relativ zum PPS-Signal ist im Bereich von einigen crad programmierbar. Mit dem generierten Datenstrom und diesem variablen Analogsignal können digitale Brücken bezüglich Messabweichung und Fehlwinkel im gesamten Arbeitsbereich (z. B. ±2 % und ±3 crad) mit Unsicherheiten (k = 2) von 0,005 % und 0,007 crad kalibriert werden.


Prinzip der Kalibriereinrichtung für digitale Messbrücken.