CH648166A5

CH648166A5 - Method and device for time-division multiplex scanning

Info

Publication number: CH648166A5
Application number: CH4523/80A
Authority: CH
Inventors: Otto Lanz
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1980-06-12
Filing date: 1980-06-12
Publication date: 1985-02-28
Also published as: DE3026622A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zeitmul-tiplex-Abtastung und -Verarbeitung von Signalen aus einem Kanalvielfach, insbesondere zur Analog-Digitalwandlung im Zeitmultiplexbetrieb, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for time-multiplex sampling and processing of signals from a channel multiple, in particular for analog-digital conversion in time-division multiplex operation, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a device for carrying out the method.

Bei der Verarbeitung von Signalen oder Daten im Zeitmultiplexbetrieb, insbesondere bei der Zeitmultiplexverarbei-tung von Analogsignalen mit nach der Abtastung und Kanalkonzentration erfolgender Analog-Digitalwandlung, stellt die zeitliche Verschiebung der Augenblickswerterfassung in den verschiedenen Kanälen des Kanalvielfachs und die entsprechende zeitliche Inkonsistenz der aufeinanderfolgenden Signal- oder Datenwerte im seriellen Kanal oft ein nicht zu vernachlässigendes Problem dar. Dies gilt auch für die Zeit-multiplex-Datenverarbeitung in der elektrischen Schutztechnik für Wechselstromsysteme, wobei vielfach durch zeitlichen Vergleich von Signalen Phasenbeziehungen zwischen verschiedenen Wechselstromgrössen detektiert und überwacht werden. Dies hat im Fall der Auswertung von diskreten Signal- oder Datenwerten grundsätzlich zeitliche Konsistenz dieser Werte zur Voraussetzung. When processing signals or data in time-division multiplex operation, in particular in time-division multiplexing of analog signals with analog-to-digital conversion after sampling and channel concentration, the time shift of the instantaneous value acquisition in the different channels of the channel multiple and the corresponding temporal inconsistency of the successive signal or data values in the serial channel often represent a problem that cannot be neglected. This also applies to time-multiplex data processing in electrical protection technology for AC systems, phase relationships between different AC quantities being detected and monitored in many cases by comparing signals over time. In the case of evaluating discrete signal or data values, this basically requires temporal consistency of these values.

Die zeitliche Konsistenz der Werte eines Abtastzyklus kann im Bereich der Verarbeitung diskreter Daten durch Interpolation unter Berücksichtigung der Abtastsequenz, d.h. durch nachträgliche Rekonstruktion entsprechend rückläufig verschobener Werte aus dem Zeitverlauf der den einzelnen Kanälen zugeordneten Daten erfolgen. Dies ist jedoch mit erheblichem Verarbeitungszeitaufwand bzw. unerwünschter Verzögerung verbunden und beruht ausserdem auf den jeweils vorangehenden Werten, so dass sich bei instationären Vorgängen entsprechende Unsicherheiten ergeben. The temporal consistency of the values of a sampling cycle can be processed in the area of processing discrete data by interpolation taking into account the sampling sequence, i.e. through subsequent reconstruction of correspondingly shifted values from the time history of the data assigned to the individual channels. However, this is associated with considerable processing time or undesirable delay and is also based on the previous values, so that there are corresponding uncertainties in transient processes.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung zur Zeitmultiplex-Abtastung und -Verarbeitung von Signalen aus einem Kanalvielfach, womit die Herstellung zeitlicher Konsistenz unter vergleichsweise geringer zusätzlicher Verzögerung der Gesamtverarbeitung und mit vergleichsweise geringem Verarbeitungsaufwand erreichbar ist. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich hinsichtlich Verfahren und Einrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 3. The object of the invention is therefore to provide a method and a device for time-division multiplex sampling and processing of signals from a channel multiple, with which the production of time consistency can be achieved with a comparatively small additional delay in the overall processing and with comparatively little processing effort. The solution to this problem according to the invention is characterized in terms of method and device by the features of claims 1 and 3, respectively.

Die danach vorgesehene, der Detektions- oder Abtastfolge angepasste Zeitverzögerung in den einzelnen Kanälen des Kanalvielfachs bedeutet grundsätzlich keine zusätzliche Verzögerung hinsichtlich der Bereitstellung der seriellen Signal- oder Datenfolge im konzentrierten Ausgangskanal, weil nicht die Abtastzeitpunkte, sondern nur die zeitliche Lage der einzelnen Kanal-Signalfolgen in Bezug auf die zugehörigen Abtastzeitpunkte verändert werden. Gleichwohl sind die Abtastwerte innerhalb eines Zyklus alle dem gleichen Zeitpunkt zugeordnet. The time delay provided in the individual channels of the channel multiple, which is adapted to the detection or sampling sequence, means in principle no additional delay with regard to the provision of the serial signal or data sequence in the concentrated output channel, because it is not the sampling times, but only the temporal position of the individual channel signal sequences be changed in relation to the associated sampling times. Nevertheless, the samples are all assigned to the same point in time within a cycle.

Eine besondere Weiterbildung der Erfindung bewirkt die gestaffelte Zeitverzögerung der abzutastenden Signale durch entsprechend gestaffelte Begrenzung des übertragenen Frequenzbereiches der einzelnen Signale mit gemäss zunehmender Zeitverzögerung niedrigerer oberer Grenzfrequenz. Diese Lösungsvariante macht sich die Tatsache zunutze, dass bei einer Kanalvielfach-Datenverarbeitung mit periodischer Abtastung, insbesondere im Fall der Zeitmultiplexkonzentra-tion auf einen seriellen Kanal, im allgemeinen ohnehin eine obere Begrenzung der übertragbaren Frequenzbänder durch entsprechende Filter in den einzelnen Kanälen vorgenommen wird, um den Übertragungsbereich im Hinblick auf das Abtasttheorem nicht von der jeweiligen Abtastfrequenz abhängig zu machen. Die dazu eingeführte obere Grenzfrequenz des Übertragungsbereiches liegt im allgemeinen so weit unterhalb der halben Abtastfrequenz als oberster Übertragungsgrenze, dass die zusätzliche Verschiebung der oberen Grenzfrequenz der Kanalfilter um einen der gewünschten Zeitverzögerung entsprechenden Betrag nicht störend wirkt. Bei üblichen Abtastsequenzen macht diese Grenzfrequenzverschiebung auch nur einen geringen Teil des Betrages der oberen Grenzfrequenz aus. Andererseits ist die damit erzielbare Verminderung des Schaltungsaufwandes beträchtlich. A special further development of the invention brings about the staggered time delay of the signals to be sampled by appropriately staggered limitation of the transmitted frequency range of the individual signals with a lower upper limit frequency that increases according to the time delay. This variant of the solution takes advantage of the fact that, in the case of channel multiple data processing with periodic sampling, in particular in the case of time-division multiplexing onto a serial channel, an upper limitation of the transmissible frequency bands is generally made anyway by appropriate filters in the individual channels not to make the transmission range dependent on the respective sampling frequency with regard to the sampling theorem. The upper limit frequency of the transmission range introduced for this purpose is generally so far below half the sampling frequency as the highest transmission limit that the additional shift of the upper limit frequency of the channel filter by an amount corresponding to the desired time delay does not have a disturbing effect. In the case of conventional scanning sequences, this cutoff frequency shift only makes up a small part of the amount of the upper cutoff frequency. On the other hand, the reduction in circuit complexity that can be achieved with this is considerable.

Die Erfindung wird weiter anhand der in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt: The invention is further explained on the basis of the exemplary embodiments illustrated in the drawings. Herein shows:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Zeitmultiplexschaltung mit nachgeordneter Analog-Digitalwandlung und erfindungs-gemässer Kompensation der Abtast-Zeitverschiebung durch eine mehrkanalige Verzögerungsschaltung, 1 shows the basic circuit diagram of a time-division multiplex circuit with downstream analog-digital conversion and compensation according to the invention for the sampling time shift by means of a multi-channel delay circuit,

Fig. 2 ein Mehrfach-Signal-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 und Fig. 2 is a multiple signal timing diagram to explain the operation of the circuit of Fig. 1 and

Fig. 3 eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1 mit einem Satz von Tiefpassfiltern als Verzögerungsschaltung für die erfindungsgemässe Zeitkompensation. 3 shows a modification of the circuit according to FIG. 1 with a set of low-pass filters as a delay circuit for the time compensation according to the invention.

Die Schaltung nach Fig. 1 umfasst ein Eingangskanalvielfach E mit in den einzelnen Kanälen e2... e„ angeordneten Verzögerungseinheiten Vi... Vn. Die Zeitverzögerungen At2 ... Atn dieser Einheiten sind auf ein der Stellung des betreffenden Kanals in der Abtastreihenfolge entsprechendes Vielfaches eines Basisintervalls t eingestellt, das den Zeitabständen der nachfolgenden, zyklischen Kanalabtastung entspricht. Im Beispielsfall ist der erste Kanal ei ohne Verzögerungseinheit. The circuit according to FIG. 1 comprises an input channel multiple E with delay units Vi ... Vn arranged in the individual channels e2 ... e ". The time delays At2 ... Atn of these units correspond to the position of the relevant channel in the scanning sequence Multiple of a base interval t that corresponds to the time intervals of the subsequent cyclic channel scan. In the example, the first channel ei is without a delay unit.

2 2nd

5 5

m m

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

Die Analog-Eingangssignale s2(t)... sn(t) unterliegen also gegenüber dem unverzögert übertragenen Eingangssignal si(t) einer von Kanal zu Kanal um das Intervall t zunehmenden Verzögerung, so dass sich für die Eingangssignale si'(t), s2'(t) ... sn'(t) eines nachfolgenden Analog-Multiplexers TX eine 5 gleichmässig gestaffelte Zeitverschiebung entsprechend der Abtastreihenfolge ergibt. Am Ausgang des Multiplexers erscheint somit eine Folge von diskreten Analogwerten im Zeitabstand x, wobei jedoch alle Werte innerhalb eines Abtastzyklus dem gleichen Zeitpunkt im Verlauf der tatsäch- 10 liehen Eingangssignale entsprechen, nämlich dem Abtastzeitpunkt des unverzögerten Signals si(t) = si'(t). The analog input signals s2 (t) ... sn (t) are therefore subject to a delay increasing from channel to channel by the interval t compared to the input signal si (t) transmitted without delay, so that the input signals si '(t), s2 '(t) ... sn' (t) of a subsequent analog multiplexer TX results in a 5 evenly staggered time shift in accordance with the scanning order. A sequence of discrete analog values appears at the time interval x at the output of the multiplexer, but all values within a sampling cycle correspond to the same point in time in the course of the actual input signals, namely the sampling point in time of the undelayed signal si (t) = si '(t ).

Dem Multiplexer TX ist eine übliche Abtast-Speicher-schaltung (Sample-Hold-Schaltung) AT sowie ein A/D-Wandler W nachgeordnet. Die drei letztgenannten Schal- is tungseinheiten TX, AT und W stehen unter der Wirkung einer gemeinsamen Zeitablaufsteuerung ZS für die Koordination der Zwischenspeicherung in AT und der A/D-Wandlung in W mit den Abtastzyklen und der Abtastfolge von TX. The multiplexer TX is followed by a conventional sample-memory circuit (sample-hold circuit) AT and an A / D converter W. The three last-mentioned switching units TX, AT and W act under the action of a common time control ZS for the coordination of the buffering in AT and the A / D conversion in W with the sampling cycles and the sampling sequence of TX.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Zeitkompen- 20 sation für die Schaltung nach Fig. 1 ergibt sich im einzelnen aus dem Signaldiagramm gemäss Fig. 2. Hier sind in den Zeilen a), b) und c) übereinstimmend angenommene Zeitverläufe der Eingangssignale si(t), s2(t) und sn(t) mit den zugehörigen, um das Intervall t bzw. n-x versetzten Abtastzeitpunkten und 25 den entsprechend unterschiedlichen Abtastwerten si(to), The mode of operation of the time compensation according to the invention for the circuit according to FIG. 1 results in detail from the signal diagram according to FIG. 2. Here, in lines a), b) and c) there are time profiles of the input signals si (t) which are assumed to be the same, s2 (t) and sn (t) with the associated sampling times offset by the interval t or nx and the correspondingly different sampling values si (to),

s2(to + x) und sn(to + [n— l]-x) angedeutet. In den Zeilen d), e) und f) von Fig. 2 finden sich der Zeitverlauf von si(t) = si'(t) und die um x bzw. (n — 1 ) ■ x verschobenen Zeitverläufe von s?'(t) bzw. sn'(t). Entsprechend den übereinstimmend ange- 30 nommenen Zeitverläufen der Eingangssignale gilt nun infolge der Kompensations-Zeitverschiebung si'(to) = s2'(to + x)- s2 (to + x) and sn (to + [n— l] -x) are indicated. Lines d), e) and f) of FIG. 2 show the time profile of si (t) = si '(t) and the time profiles of s?' (X or (n - 1) ■ x shifted). t) or sn '(t). Corresponding to the time profiles of the input signals, which are assumed to be the same, the following applies due to the compensation time shift si '(to) = s2' (to + x) -

648 166 648 166

= sn'(to + [n — 1 ] • x). Damit ist die zeitliche Konsistenz der Abtastwerte wieder hergestellt. = sn '(to + [n - 1] • x). The temporal consistency of the samples is thus restored.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist im Eingangskanalvielfach E eine Verzögerungsschaltung TVi angeordnet, die "aus in den einzelnen Kanälen ei, e2... en eingeschalteten Tiefpassfiltern Fi, F2... Fn mit individuell eingestellten oberen Grenzfrequenzen fcl, fC2... fCn besteht. In den Blockdarstellungen der Filter sind die zugehörigen Frequenzgänge (Amplitudenübertragungsverhältnis A über der Frequenz 0 schematisch in Diagrammform angedeutet. Eine derartige Eingangsbegrenzung des übertragenen Frequenzbandes ist bei Abtastschaltungen üblich zur Schaffung eines ausreichenden Abstandes zur halben Abtastfrequenz und zur Vermeidung von Neben-sprechproblemen zwischen den verschiedenen Kanälen. 3, a delay circuit TVi is arranged in the input channel multiple E, which "consists of low-pass filters Fi, F2 ... Fn which are switched on in the individual channels ei, e2 ... en and have individually set upper limit frequencies fcl, fC2 ... The associated frequency responses (amplitude transmission ratio A over the frequency 0 are indicated schematically in diagram form in the block diagrams of the filters. Such an input limitation of the transmitted frequency band is common in sampling circuits to create a sufficient distance to half the sampling frequency and to avoid side-talk problems between the different channels.

Durch vergleichsweise geringfügige Herabsetzung der oberen Grenzfrequenz in den einzelnen Kanälen entsprechend der zeitlichen Staffelung der Abtastfolge können infolge der von der Grenzfrequenz abhängigen Einschwingzeit wiederum geeignet gestaffelte Verzögerungszeiten zur Kompensation der Abtastverschiebung verwirklicht werden, und zwar ersichtlich mit erheblich vermindertem Schaltungsaufwand. Due to the comparatively slight reduction in the upper limit frequency in the individual channels in accordance with the staggering of the sampling sequence over time, suitably staggered delay times for compensating the sampling shift can be achieved as a result of the settling time, which is evidently with significantly reduced circuit complexity.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Kompensationsschaltung besteht darin, dass die in den einzelnen Kanälen vorhandenen Verzögerungs- bzw. Filterschaltungen ohne zusätzlichen Aufwand für einen Ausgleich von Zeit-und Phasenfehlern infolge von Ungenauigkeiten in den betreffenden Übertragungselementen verwendet werden können, wobei die für alle Eingangskanäle gemeinsame Abtast-und Speicherschaltung, die dem Multiplexer TX nachgeordnet ist, individuelle Abtastgenauigkeiten ausschliesst. A particular advantage of the compensation circuit according to the invention is that the delay or filter circuits present in the individual channels can be used without additional effort to compensate for time and phase errors as a result of inaccuracies in the relevant transmission elements, the sampling being common for all input channels and memory circuit, which is arranged downstream of the multiplexer TX, excludes individual scanning accuracies.

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3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

648 166 PATENT CLAIMS

1. A method for time-division multiplex sampling and processing of signals from a channel multiple, in particular for analog-to-digital conversion in time division multiplex operation, in which an instantaneous value of the relevant signal is detected from the different channels in chronological succession and fed to further processing that the signals to be sampled (si [t], s2 [t] ...) of the channel multiple are subjected to a time delay corresponding to the time intervals (t) of the detection sequence before the instantaneous value detection.

2. The method according to claim 1, characterized in that the staggered time delay of the signals to be sampled (si [t], S2 [t] ...) by appropriately staggered limitation of the transmitted frequency range of the individual signals with a lower upper limit frequency (fc2 ... fcn) is generated.

3. Device for performing the method according to claim 1, with an input channel multiple (E) and downstream time-division switching device (TX) and instantaneous value sampling and storage circuit (AT), characterized in that a delay circuit (TV) in the input channel multiple (E) with at least n-1 delay units (V2 ... Vn) assigned to the n individual channels (e2 ... en).

4. Device according to claim 3, characterized in that a delay circuit (TVi) is provided in the input channel multiple (E), which for each channel (ei, e2 ... en) a low or bandpass filter (Fi, F2 ... Fn ) with differently dimensioned upper limit frequencies (fci, fc2 ... fcn) in accordance with the temporal sampling gradation of the multiplex switchover.

5. Device according to claim 3 or 4, characterized in that the delay circuit (TV, TVi) of the input channel multiple (E), the time-division switching device (TX) and this a common for all channels sampling and storage circuit (AT) is subordinate.