CN105359417B - 用于产生数字信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种根据借助于频率转换器基于具有可变周期持续时间的脉冲宽度调制产生的模拟信号(UA)产生数字信号(DS)的方法，其中数字信号(DS)的值对应于模拟信号(UA)在脉冲宽度调制的关联的周期持续时间上的平均值，具有步骤：根据模拟信号(UA)借助于西格玛‑德尔塔‑调制器(1)产生比特流(BS)，其中产生具有恒定的调制器循环的比特流，在关联的周期持续时间期间通过滤波比特流(BS)借助于多个数字滤波器(2_1到2_r)产生时间相接的数字采样值(S_1到S_r)，其中时间相接的数字采样值之间的时间间隔是调制器循环的倍数，其数字滤波器(2_1到2_r)彼此时间延迟地以调制器循环的倍数的时间间隔开始并且相应数字滤波器(2_1到2_r)输出关联的数字采样值(S_1到S_r)，并且形成在关联的周期持续时间期间产生的数字采样值(S_1到S_r)之上的平均值，其中平均值形成对于关联的周期持续时间的数字信号(DS)的值。

Description

用于产生数字信号的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于根据借助于频率转换器基于具有可变周期持续时间的脉冲宽度调制产生的模拟信号产生数字信号的方法和装置，其中数字信号的值对应于模拟信号在脉冲宽度调制的关联的周期持续时间之上的平均值。
背景技术
常规频率转换器通常输出所谓的相电压，其基于脉冲宽度调制产生。在多相电动机处在绕组处借助于频率转换器产生的有效电压是两个这样的相电压的差。此外还参阅有关的专业文献。
在调整地超控电动机的情况下能必要的是，确定脉冲宽度调制的电压或者有效的电动机电压的直流电压分量。
GB2440559A描述该方法，其中由频率转换器产生的脉冲宽度调制的电压在使用西格玛-德尔塔-调制器的情况下数字化。为了获得相应数字电压测量值在正好一个脉冲宽度调制的关联的周期持续时间之上连续形成整数。这个整数形成对应于第一阶的Hogenauer-滤波器。
频率转换器经常联合运行并且在此借助于上级的控制同步。在同步过程中可得出该必要，改变以脉冲宽度调制为基础的周期持续时间。
在GB2440559A中描述的方法中可以以这种方式描述周期持续时间的改变，在集成的情况下考虑相应更多或更少调制器循环（Modulatortakte）。
如果由于对于信号质量的要求需要更高阶的数字滤波器，可以由西格玛-德尔塔-调制器输出的比特流例如借助于更高阶（例如第二或第三阶）的Hogenauer-滤波器进行滤波。
这种Hogenauer-滤波器的传输功能通过由西格玛-德尔塔-调制器输出的比特流的循环(调制器循环)，滤波器阶和所谓的过采样率确定。过采样率描述在采样率变换的情况下产生的在输入采样率和输出采样率（采样率）之间的比例，即调制器循环和由滤波器输出的滤波的值或者样本的循环之间的比例。因此采样率从调制器循环除以过采样率得出。此外与此相关地还参考有关专业文献。
为了可以利用Hogenauer-滤波器进行在脉冲宽度调制的系统中的电压测量，Hogenauer-滤波器的得出的采样率必须尽可能准确地是脉冲宽度调制的基本频率的整数的倍数，以便可以有效地抑制切换频率。在这个在脉冲宽度调制的相应周期内存在的样本上然后可以形成整数或者平均值，以便将计分频率（Kerbfrequenz）放置到切换频率。
为了将上述方法匹配到脉冲宽度调制的可变周期持续时间，可以将例如调制器循环动态匹配到周期持续时间。然而调制器循环颤动或循环的忽略导致明显降低了最大可能的有效比特(ENOB)。备选地或附加地可以实现动态地将过采样率匹配到脉冲宽度调制的周期持续时间，然而这在Hogenauer-滤波器的情况下在匹配时导致误算并且此外具有对于Hogenauer-滤波器的放大和频率性能的影响。
发明内容
本发明基础在于，提供用于根据借助于频率转换器基于具有可变周期持续时间的脉冲宽度调制产生的模拟信号产生数字信号的方法和装置，其简单地匹配到可变周期持续时间并且可借助于具有大于一的阶的滤波器实现。
本发明通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求9所述的装置来解决这个任务。
该方法用于根据模拟信号产生数字信号，该模拟信号借助于频率转换器基于具有可变周期持续时间的脉冲宽度调制产生。数字信号的值对应于模拟信号在脉冲宽度调制的关联的周期持续时间之上的平均值。
数字信号或者其值连续地对于脉冲宽度调制的模拟信号的每个周期产生。数字信号的值具有划界并且分级的值储备（Wertvorrat）。数字信号还可以在其时间序列中仅在确定周期时间点上，例如脉冲宽度调制的模拟信号的相应周期的末端上，限定或者具有其值的改变。数字信号根据模拟信号（其描述物理量（例如电流或电压）的时间连续变化）通过采样（其在定义的时间点实现）和量化形成。通过相应编码可以将数字信号或者其值转化到二进制表达（其例如具有8，16，24或32比特数字字宽）。
在该方法中比特流(二进制值域零和一)根据模拟信号借助于通常的西格玛-德尔塔-调制器产生，其中产生具有恒定的调制器循环（其例如在5MHz和50MHz之间的调制器循环范围中）的比特流。
根据如此产生的比特流，多个时间相接的数字采样值或样本在脉冲宽度调制的相应周期持续时间或者相应周期期间产生。数字采样值或样本可以二进制地以例如2，4，8，16或32比特的字宽编码。
分别相接的数字采样值之间的时间间隔为调制器循环的整数的倍数。
时间相接的数字采样值的产生包含下列步骤：
比特流借助于用于产生数字采样值的多个(至少两个)彼此独立的数字的尤其是采样率减少的滤波器滤波，其中数字滤波器时间延迟地，以相接的数字采样值的期望的时间间隔开始。在相应滤波器开始之后其可以在调制器循环中施加以比特串并且其滤波功能相应于比特串的比特值来处理，执行比特率减少，在处理持续时间之后输出其关联的数字采样值，等等。
周期持续时间可以以调制器循环的倍数表示。如果周期持续时间是k个调制器循环并且采样值或样本（其在脉冲宽度调制的相应周期持续时间或者相应周期期间产生并且分布在相应周期持续时间或者相应周期上）的数量为r，相接的数字采样值之间的时间间隔分别调整到k/r个调制器循环（假定k可以以被r整除）。对于这种情况数字采样值完全等距地在周期持续时间或者周期上分布。
如果k不能通过r整除，相接的采样值之间的时间间隔如此调整，使得得出采样值在周期持续时间或者周期上的尽可能时间等距的分布，其中相接的采样值之间的时间间隔的和等于周期持续时间。
如果作为数字示例调制器循环单元中的周期持续时间k=31并且采样值或样本的数量r=3，调制器循环单元中时间间隔可以为(11，10，10)，(10，11，10)或(10，10，11)。
如果作为另外的数字示例调制器循环单元中的周期持续时间k=32并且r=3，时间间隔可以是(11，11，10)，(10，11，11)或(11，10，11)。
如果最后作为另外的数字示例调制器循环单元中的周期持续时间k=33并且r=3，时间间隔(11，11，11)选择作为等距的分布。
数字滤波器可以在周期持续时间或者周期期间至少临时时间重叠地运行或者工作。
相应数字滤波器输出关联的数字采样值或者关联的样本，其中数字采样值或者样本由不同的数字滤波器同样彼此时间分离地输出。
通过形成在周期持续时间或者周期期间产生数字采样值上的平均值，计算数字信号的与相应周期持续时间或者周期关联的值，其代表模拟信号在周期持续时间或者周期之上的平均值。
数字采样值之间的时间间隔可以根据可变周期持续时间PD调整或者计算。每周期持续时间或者周期的数字采样值的数量可以与周期持续时间无关地恒定地确定。仅会造成，得出数字采样值在周期持续时间或者周期内尽可能等距的分布。换句话说数字采样值之间的时间间隔如此根据可变周期持续时间PD调整或者计算，得出数字采样值在周期或者周期持续时间上的所得尽可能时间等距分布。
相应数字滤波器可以具有或者实现sinc3-滤波功能。
相应数字滤波器可以如此构造，所有n个调制器循环输出关联的数字采样值。
在调制器循环单元中时间相接的数字采样值的时间间隔可以分布小于n，以避免加权空缺。
数字滤波器的数量可以选择为等于脉冲宽度调制的每周期持续时间数字采样值的数量，即每个数字滤波器输出正好一个关联的数字采样值。
备选地数字滤波器的数量可以选择成小于脉冲宽度调制的每周期持续时间数字采样值的数量，即数字滤波器在周期持续时间或者周期过程中相接地输出多于仅一个单独关联的数字采样值。对于这种情况在其输出数字采样值之后数字滤波器直接或在等待时间之后重新开始。
可以适合。
数字滤波器可以分别具有相同权函数(脉冲响应)，其中数字滤波器如此彼此时间延迟地开始，使得产生时间相邻的数字采样值的数字滤波器的权函数至少部分重叠。
脉冲宽度调制的周期持续时间可以在62.5μs和1ms之间的范围中。
用于根据借助于频率转换器基于具有可变周期持续时间的脉冲宽度调制产生的模拟信号产生数字信号的装置构造成用于执行上述方法。装置具有：西格玛-德尔塔-调制器，用于产生比特流；多个(至少两个)数字滤波器，用于滤波比特流以及产生数字采样值；以及平均值形成器，用于形成在周期持续时间期间产生的数字采样值之上的平均值。
附图说明
本发明下面参考附图描述，附图表示本发明的实施方式。在此示意性地示出：
图1示出具有数字滤波器的关联的权函数的借助于频率转换器基于具有可变周期持续时间的脉冲宽度调制产生的模拟信号，
图2示出根据第一实施方式的用于根据在图1中示出的模拟信号产生数字信号的装置，
图3示出根据另一实施方式的用于根据图1中示出的模拟信号产生数字信号的装置以及
图4示意性示出数字采样值在关联的周期持续时间上的分布。
具体实施方式
图1示出借助于通常的未示出的频率转换器基于具有可变周期持续时间PD的脉冲宽度调制产生的模拟信号，所述模拟信号为具有在调制器循环单元中时间mt上的数字滤波器(见图2数字滤波器2_1到2_r以及图3数字滤波器2'_1到2'_r)的分配的权函数G_1到G_r的电压UA的形式。
模拟信号或者电压UA是在通过通常的频率转换器的操控的情景中未示出的电动机的电动机绕组上的导致的电压。
在图1中示意性示出周期或者周期持续时间PD。可理解，对于先前周期或者周期持续时间和之后周期或者周期持续时间相应地执行该方法。
图2示出根据第一实施方式的用于根据在图1中示出的模拟信号UA产生数字信号DS的装置，其中数字信号DS的值描绘模拟信号UA在相应周期或者周期持续时间PD之上的平均值。
装置具有通常的西格玛-德尔塔-调制器1，对其施加以电压UA。可理解，可以设置适合的未示出的电平变换器，其将电压UA变换到对于西格玛-德尔塔-调制器1合适的电压电平。
西格玛-德尔塔-调制器1通常根据具有例如20MHz的恒定的调制器循环的模拟信号UA产生比特流BS。
比特流由具有交错或者时间重叠工作的抽选级（Dezimierstufen）的修改的第3阶Hogenauer-滤波器处理。
修改的Hogenauer-滤波器具有公共积分器级4和r个不同梳状级5_1到5_r，其中积分器级4和梳状级5_1到5_r共同形成r个数字第3阶Hogenauer-滤波器2_1到2_r用于滤波比特流BS并且产生关联的数字采样值eS_1到S_r。
数字采样值S_1到S_r借助于关联的数字滤波器2_1到2_r时间相接地产生(见图4)，其中在数字采样值S_1到S_r之间的时间间隔以调制器循环的整数倍数表示。
数字滤波器2_1到2_r彼此时间延迟地，以相应时间间隔地开始，使得数字滤波器输出相应时间延迟的其关联的数字采样值S_1到S_r。
数字滤波器2_1到2_r的开始时间点T1到T_r尽可能等距地在周期或者周期持续时间PD上分布，使得数字滤波器2_1到2_r的关联的权函数G_1到G_r相应尽可能等距地在周期或者周期持续时间PD上分布，见图1。如在图1中所示，在确定时间点上数字滤波器2_1到2_r中的多个同时或者重叠地工作。
数字滤波器具有例如128的恒定的和彼此相同的过采样率。
在周期持续时间PD改变的情况下时间间隔或者开始时间点T1到T_r如此跟随，使得保持得到加权函数G_1到G_r在周期持续时间或者周期PD内的尽可能等距的分布，即数字采样值S_1到S_r以尽可能相同的时间间隔产生。
平均值形成器3用于形成在周期持续时间PD期间产生的数字采样值S_1到S_r上的平均值，其中平均值形成对于关联的周期持续时间PD的数字信号(DS)的值。
图3示出根据另外的实施方式的用于根据在图1中产生的模拟信号UA产生数字信号DS的装置。
在图3中示出的实施方式的情况下使用数字滤波器2'_1到2'_r用于产生数字采样值S_1到S_r，如其在未在先公开的德国专利申请DE102011080586描述，使得其公开在此结合到本说明书的内容中，以及其涉及数字滤波器2'_1到2'_r。
数字滤波器2'_1到2'_r分别具有计数器6，存储器7，混合器8，积分器9和中间存储器10。关于这些单元的功能参考DE102011080586。
数字滤波器2_1到2_r或者2'_1到2'_r和平均值形成器3的操控，最优时间间隔的计算和其他一般控制任务由未示出的控制单元执行。全体单元可以例如集成在FPGA中。
图4示意性示出，如数字采样值eS_1到S_r借助于关联的数字滤波器2_1到2_r 2'_1到2'_r时间相接地产生。
根据本发明代替单独数字滤波器（其产生每周期单独或时间相接的多个数字采样值），多个数字滤波器交错运行，其中为了匹配到可变周期持续时间多个数字滤波器的开始时间点如此跟随，使得由数字滤波器产生的数字采样值尽可能时间等距地在周期或者周期持续时间上分布。

Claims (9)

1.用于根据借助于频率转换器基于具有可变周期持续时间(PD)的脉冲宽度调制产生的模拟信号(UA)产生数字信号(DS)的方法，其中所述数字信号(DS)的值对应于模拟信号(UA)在脉冲宽度调制的关联的周期持续时间(PD)之上的平均值，所述方法具有步骤：
根据模拟信号(UA)借助于西格玛-德尔塔-调制器(1)产生比特流(BS)，其中生成具有恒定的调制器循环的比特流，
借助于多个数字滤波器(2_1到2_r；2'_1到2'_r)在关联的周期持续时间(PD)期间通过对比特流(BS)的滤波产生时间相接的数字采样值(S_1到S_r)，其中
时间相接的数字采样值之间的时间间隔是调制器循环的倍数，
数字滤波器(2_1到2_r；2'_1到2'_r)彼此时间延迟地以调制器循环的倍数的时间间隔地开始并且
相应数字滤波器(2_1到2_r；2'_1到2'_r)输出关联的数字采样值(S_1到S_r)，以及
形成在关联的周期持续时间(PD)期间产生的数字采样值(S_1到S_r)之上的平均值，其中所述平均值形成对于关联的周期持续时间的数字信号(DS)的值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，时间相接的数字采样值之间的时间间隔根据可变周期持续时间(PD)调整。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相应数字滤波器具有sinc3-滤波功能。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，相应数字滤波器(2_1到2_r；2'_1到2'_r)构造成，所有n个调制器循环输出关联的数字采样值(S_1到S_r)，其中n为调制器循环的总数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在调制器循环单元中时间相接的数字采样值之间的时间间隔小于n。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，。
7.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，数字滤波器分别具有相同的权函数，其中所述数字滤波器(2_1到2_r；2'_1到2'_r)如此彼此时间延迟地开始，使得产生时间相邻的数字采样值的数字滤波器的权函数至少部分重叠。
8.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述周期持续时间(PD)位于62.5μs和1ms之间的范围中。
9.一种根据借助于频率转换器基于具有可变周期持续时间(PD)的脉冲宽度调制产生的模拟信号(UA)产生数字信号(DS)的装置，其构造成用于执行根据上述权利要求之一所述的方法，其包括：
西格玛-德尔塔-调制器(1)，用于产生比特流(BS)，
多个数字滤波器(2_1到2_r；2'_1到2'_r)，用于滤波比特流(BS)并且产生数字采样值(S_1到S_r)以及
平均值形成器(3)，用于形成在周期持续时间(PD)期间产生的数字采样值(S_1到S_r)之上的平均值。
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