DD248893A1

DD248893A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR TIME DISCRETIZING ANALOG SIGNALS

Info

Publication number: DD248893A1
Application number: DD28994786A
Authority: DD
Inventors: Ulrich Clauss
Original assignee: Messgeraetewerk Zwonitz Veb K
Priority date: 1986-05-05
Filing date: 1986-05-05
Publication date: 1987-08-19

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die zeitliche Diskretisierung analoger Signale, insbesondere in Analog-Digital-Umsetzern. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung der oberen Signalgrenzfrequenz bei vorgegebener Abtastrate bis zur theoretischen Grenze. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die ueblicherweise fest vorgegebenen Abtastzeitpunkte mit Signalzeitpunkten groessten Informationsgehaltes zu koordinieren. Erfindungsgemaess wird die Amplitude jedes Extremwertes des analogen Signales erfasst, bis zum Eintreffen des jeweils naechsten Abtastzeitpunktes zwischengespeichert und diesem naechsten Abtastzeitpunkt oder einer zusaetzlichen Zeitinformation zugeordnet. Fig. 1The invention relates to the temporal discretization of analog signals, in particular in analog-to-digital converters. The aim of the invention is the increase of the upper signal limit frequency at a predetermined sampling rate up to the theoretical limit. The object of the invention is to coordinate the usually fixed sampling times with signal times of greatest information content. According to the invention, the amplitude of each extreme value of the analog signal is detected, buffered until the arrival of the next sampling instant in each case and assigned to this next sampling time or additional time information. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Application area de. invention

Die Erfindung bezieht sich auf die zeitliche Diskretisierung analoger, zeitlich veränderlicher Größen, insbesondere in Analog-Digital-Umsetzern. Ihre Anwendung ist in allen Einrichtungen der Informationstechnik sinnvoll, in denen die Umwandlungen von kontinuierlichen Signalen in diskrete Zeitreihen und deren Speicherung mit gegrenzter Abtastrate bei größtmöglicher Signalfrequenz und minimalen Amplitudenfehlern gefordert wird.The invention relates to the temporal discretization analog, time-varying variables, especially in analog-to-digital converters. Their application is useful in all information technology facilities in which the conversion of continuous signals in discrete time series and their storage with limited sampling rate at the highest possible signal frequency and minimum amplitude errors is required.

Characteristic of the known technical solutions

Bekannt sind derzeit folgende Lösungen:The following solutions are currently known:

1. Kompression von aus einem Kurvenverlauf in konstanten Zeitintervallen abgetasteten Daten (DE-AS 2423351, G 11 C, 27/02; DE-OS 3028935, G06F, 3/05 u.a.).1. Compression of data sampled from a curve at constant time intervals (DE-AS 2423351, G 11 C, 27/02, DE-OS 3028935, G06F, 3/05 et al.).

Das Signal wird mit hoher Tastfrequenz diskretisiert und nach der Analog-Digital-Umsetzung algorithmisch auf Abtastwerte hohen Informationsgehaltes beschränkt.The signal is discretized at high sampling frequency and algorithmically limited to samples of high information content after analog-to-digital conversion.

Derschaltungs-und programmtechnische Aufwand ist wegen des anfänglichen hohen Informationsvolumens für die Analog-Digital-Umsetzung, für Prozessor-und Speicherfunktionen groß.Circuit and programming overhead is high because of the initial high volume of information for analog-to-digital conversion, processor and memory functions.

2. Nachführen der Abtastfrequenz in Abhängigkeit von der Signalfrequenz (DE-AS 21 56143, G 11 C, 27/02).2. Tracking the sampling frequency as a function of the signal frequency (DE-AS 21 56143, G 11 C, 27/02).

Die Organisation der Reproduktion der Signalkurve ist wegen des diskontinuierlichen Abtastvorganges kompliziert und erfordert zusätzliche Informationsspeicherung.The organization of the reproduction of the signal curve is complicated because of the discontinuous scanning and requires additional information storage.

Object of the invention

Die Erfindung dient dem Ziel, die obere Signalgrenzfrequenz bei vorgegebener Abtastrate bis zur theoretischen Grenze zu erhöhen, ohne dabei wesentliche Amplitudenfehler hinnehmen zu müssen.The invention serves the purpose of increasing the upper signal limit frequency at a predetermined sampling rate up to the theoretical limit, without having to accept substantial amplitude errors.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, die üblicherweise fest vorgegebenen Abtastzeitpunkte mit Signalzeitpunkten größten Informationsgehaltes zu koordinierenThe invention is based on the technical object of coordinating the usually fixed sampling times with signal times of greatest information content

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren und eine Anordnung gelöst. According to the invention the object is achieved by a method and an arrangement.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die Amplitude jedes Extremwertes des analogen Signales erfaßt, bis zum Eintreffen des jeweils nächsten Abtastzeitpunktes zwischen gespeichert und diesem nächsten Abtastzeitpunkt oder einer zusätzlichen Zeitinformation zugeordnet. Die Abtastung erfolgt dabei zu fest vorgegebenen Abtastzeitpunkten. Als zusätzliche Zeitinformation kann die Zeit zwischen einem Abtastzeitpunkt und dem Auftreten eines Extremwertes verwendet werden. Nach ihrer Erfassung wird diese Zeitinformation gemeinsam mit der Amplitude des Extremwertes gespeichert und weiterverarbeitet.In the method according to the invention, first the amplitude of each extreme value of the analog signal is detected, stored until the arrival of the next sampling instant between stored and this next sampling time or additional time information. The sampling takes place at fixed sampling times. As additional time information, the time between a sampling time and the occurrence of an extreme value may be used. After being detected, this time information is stored together with the amplitude of the extreme value and further processed.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist neben einer an sich bekannten Abtast- und Halteschaltung und einem Taktgenerator einen parallel zum Signalweg angeordneten Extremwertdetektor mit nachgeschalteter Steuerlogik auf. Die Steuerlogik ist mit dem Taktgenerator und dem Steueranschlußeines Analogschalters der Abtast-und Halteschaltung verbunden.The arrangement according to the invention, in addition to a known sample and hold circuit and a clock generator on a parallel to the signal path arranged extreme value detector with downstream control logic. The control logic is connected to the clock generator and the control terminal of an analog switch of the sample and hold circuit.

Vorteilhafterweise besteht der Extremwertdetektor aus einem analogen Differenzierer mit nachgeschaltetem Komparator für Vergleichspotential Null. Zur Erfassung einer zustätzlichen Zeitinformation können an den Extremwertdetektoren elektronische Zähler angeschlossen sein, die mit dem Taktgenerator und einem Zeitimpulsgeber in Verbindung stehen und deren Ausgänge den der Abtast- und Halteschaltung folgenden Verarbeitungseinheiten angeschaltet sind.Advantageously, the extreme value detector consists of an analog differentiator with a downstream comparator for comparison potential zero. To detect additional time information, electronic counters may be connected to the extreme value detectors which are connected to the clock generator and a time pulse generator and whose outputs are connected to the processing units following the sample and hold circuit.

Der Extremwertdetektor versetzt die Abtast-und Halteschaltung beim Auftreten von Extremwerten in den Haltezustand, der erst nach Ausführung des nachfolgenden Verarbeitungsschrittes, wie beispielseise einer Analog-Digital-Umsetzung fest vorgegebener Umsetzrate, wieder verlassen wird.The extreme value detector puts the sample and hold circuit in the hold state when extreme values occur, which is left only after the execution of the subsequent processing step, such as, for example, an analog-to-digital conversion of a fixed conversion rate.

Die obere Signalgrenzfrequenz f₀ bei einer Abtastfrequenz f_r beträgt laut Abtasttheorem (Kotel'nikow-Theorem)The upper signal limit frequency f ₀ at a sampling frequency f _r is according to sampling theorem (Kotel'nikov theorem)

_f _Jl _f _Jl

Diese Grenze besitzt jedoch allgemein wenig praktische Bedeutung, da sie voraussetzt, daß beispielsweise im Grenzfall die Abtastzeitpunkte mit den Zeitpunkten von Extremwerten übereinstimmen, beziehungsweise für Frequenzen unterhalb f₀ ein idealer Tiefpaß mit Grenzfrequenz f₀ vorhanden und das jeweilige Signal stationären Charakters ist. Werden diese Bedingungen nicht erfüllt, so kommt es zu erheblichen Phasen- und Amplitudenfehlern, die sich zum Beispiel als scheinbare Amplitudenmodulation für stationäre Signale darstellen. Wird jedoch ein fest vorgegebener Abtasttakt so variiert, daß für jeden auftretenden Extremwert die nach Reihenfolge jeweils nächste Abtastung verfrüht erfolgt, so werden alle Extremwerte fehlerfrei übertragen, solange das Signalspektrum die Bedingung des Abtasttheoremes erfüllt. Tritt bis zum Eintreffen des darauffolgenden Abtastzeitpunktes kein neues Extremum im Signal auf, so erfolgt diese Abtastung entsprechend dem vorgegebenen Abtasttakt. Die erhaltene Abtastfolge kann bei der Weiterverarbeitung grundsätzlich den Zeitpunkten des fest vorgegebenen Abtasttaktes zugeordnet werden, wodurch einerseits zusätzliche Informationen über die wahren Abtastzeitpunkte nicht erforderlich, andererseits jedoch Phasenfehler in der Größe bis zu einem Abtastintervall möglich sind. Werden diese Fehler auf den Erwartungswert zentriert, sinkt der maximale Phasenfehler auf ±V2 Abtastintervall. Dadurch bleiben die Phasenfehler in den Grenzen eines Diskretisierungsverfahrens in bekannter Weise, während gleichzeitig eine zusätzliche Amplitudentreue erreicht wird. Zur wirksamen Verringerung der Phasenfehler ist es möglich, zusätzliche Informationen über die wahren Zeitpunkte der Meßwerterfassung zu sammeln, indem mit jedem Takt der fest vorgegebenen Abtastfolge ein Zeitzähler neu gestartet und bei Extremwerterkennung gestoppt wird.However, this limit is generally of little practical significance, since it presupposes that, for example, in the limiting case, the sampling times coincide with the times of extreme values, or for frequencies below f ₀ an ideal low-pass filter with limit frequency f _{0 is} present and the respective signal is stationary. If these conditions are not met, significant phase and amplitude errors will result, for example, as apparent amplitude modulation for stationary signals. However, if a fixed predetermined sampling clock is varied so that the next sampling takes place prematurely for each occurring extreme value, all extreme values are transmitted without error as long as the signal spectrum satisfies the condition of the sampling theorem. If no new extremum occurs in the signal until the arrival of the subsequent sampling instant, this sampling takes place in accordance with the predetermined sampling clock. In the further processing, the scanning sequence obtained can basically be assigned to the times of the fixed sampling clock, which on the one hand does not require additional information about the true sampling times, but on the other hand allows phase errors in size up to one sampling interval. If these errors are centered on the expected value, the maximum phase error decreases to ± V2 sampling interval. As a result, the phase errors within the limits of a discretization process remain in a known manner, while at the same time achieving additional amplitude fidelity. To effectively reduce the phase errors, it is possible to collect additional information about the true time points of the measured value acquisition by restarting a time counter with each clock of the fixed sampling sequence and stopping it when the extreme value is detected.

embodiment

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Zeitdiskretisierungsanordnung als prinzipielles Blockschaltbild. Die Möglichkeit der Gewinnung einer zusätzlichen Zeitinformation ist durch unterbrochene Linien gekennzeichnet. Halteschaltung und steuerbarer Analogschalter bilden gemeinsam die Abtast- und Halteschaltung.Reference to an embodiment of the invention will be explained in more detail below. 1 shows the time discretization arrangement according to the invention as a basic block diagram. The possibility of obtaining additional time information is indicated by broken lines. Holding circuit and controllable analog switch together form the sample and hold circuit.

Fig.2 zeigt eine detaillierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zeitdiskretisierungsanordnung entsprechend der Grundausführung nach den Punkten 3 und 4 des-Erfindungsanspruches. Einem Impedanzwandler 1 sind ein Analogschalter 3 und eine Kondensatorspeicherschaltung 2 im Signalweg nachgeschaltet. Gleichzeitig wird das Signal über ein Differenzierglied 4 differenziert und einem Nulldurchgangsdetektor 5 zugeführt. Die Schaltungsteile 4 und 5 bilden gemeinsam einen Extremwertdetektor, an dessen Ausgang bei jedem Extremum des Signales ein Impuls erzeugt wird. Dieser Impuls setzt einen nachgeschalteten D-Trigger 6 in den aktiven Zustand, wodurch über ein Gatter 7 der Analogschalter 3 geöffnet wird. Dieser Zustand bleibt erhalten bis der nach Reihenfolge nächste Taktimpuls eintrifft und den Trigger 6 zurücksetzt. Der Analogschalter 3 bleibt für die Verweilzeit des Taktimpulses noch geöffnet und wird anschließend geschlossen, um somit für das Auslösen der nächsten Halteperiode bereit zu sein. Trifft der nächste Taktimpuls vor dem Auftreten eines neuen Extremwertes im Signal ein, so wird die Öffnung des Analogschalters 3 über Gatter 7 durch diesen ausgelöst. Ein dieser Anordnung nachgeschalteter Analog-Digital-Umsetzer mit angeschlossenem Meßwertverarbeitungssystem kann somit kontinuierlich und ohne Taktzeitverschiebung arbeiten.2 shows a detailed embodiment of the time discretization arrangement according to the invention according to the basic embodiment according to the third and fourth aspects of the invention claim. An impedance converter 1, an analog switch 3 and a capacitor memory circuit 2 are connected downstream in the signal path. At the same time, the signal is differentiated via a differentiator 4 and fed to a zero-crossing detector 5. The circuit parts 4 and 5 together form an extreme value detector, at whose output a pulse is generated at each extreme of the signal. This pulse sets a downstream D-trigger 6 in the active state, whereby a gate 7 of the analog switch 3 is opened. This state is maintained until the next clock pulse arrives after sequence and the trigger 6 resets. The analog switch 3 remains open for the dwell time of the clock pulse and is then closed, thus being ready to trigger the next hold period. If the next clock pulse before the occurrence of a new extreme value in the signal, so the opening of the analog switch 3 via gate 7 is triggered by this. An arrangement of this arrangement downstream analog-to-digital converter with connected Meßwertverarbeitungssystem can thus operate continuously and without cycle time shift.

Claims

1. A method for time discretization of analog signals by sampling at almost predetermined times, characterized in that detects the amplitude of each extreme value of the analog signal, cached until the arrival of the next sampling time

• and this next sampling time or additional time information is assigned.

2. Method according to item!, Characterized in that as additional time information, the time between a sampling time and the occurrence of an extreme value is detected and stored together with the amplitude of the extreme value and further processed.

3. Arrangement for the time discretization of analog signals by means of sampling by a sample and hold circuit at fixed predetermined times of a clock generator, characterized in that parallel to the signal path an extreme value and a downstream control logic are arranged and that the control logic with the clock generator and the control terminal of an analog switch Sample and hold circuit is connected.

4. Arrangement according to item 3, characterized in that the extreme value detector is an analog differentiator with a downstream comparator for comparison potential zero.

5. Arrangement according to the items 3 or 4, characterized in that electronic meters are connected to the extreme value detector, which are connected to the clock generator and a timer and in connection whose outputs are connected to the sample and hold circuit following processing units.