DE102006032180B4 - Analog-Digital-Umsetzungsverfahren - Google Patents

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/60—Analogue/digital converters with intermediate conversion to frequency of pulses

Abstract

Analog-Digital-Umsetzungsverfahren, das die Operationen der Niederfrequenzfilterung des Signals und der U/F-Umwandlung einschließt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Operationen
– der Niederfrequenzfilterung,
– der Differenzierung,
– der Erzeugung der absoluten Größe der Ableitung,
– der U/F-Umwandlung,
– der reversierbaren Zählung
serienweise verwirklicht werden, wobei
– die Zählung "vorwärts" bei positiver Größe der Ableitung und die Zählung "rückwärts" bei negativer Größe der Ableitung verwirklicht werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Signalverarbeitung und betrifft insbesondere die Umwandlung eines Analogsignals in ein Digitalsignal.
  • In der Literatur ist bereits ein Analog-Digital-Umsetzungsverfahren mit der Nutzung der U/F-Umwandlung beschrieben (M. Seifart, Analoge Schaltungen. – 5., 1996, S. 567–568, Bild 21.33).
  • Das Verfahren wird durch einen großen Dynamikbereich und durch hohe Genauigkeit charakterisiert. Dabei ergeben sich folgende Nachteile. 1) Das Verfahren wird durch die lange Umsetzzeit charakterisiert. 2) Eine Frequenz der Analogsignalsdiskretisierung hängt von den Eigenschaften des Signals nicht ab.
  • Aus der DE 28 10 519 C2 ist ein Verfahren zur Analog-Digitalumsetzung bekannt, wobei die Umschaltung des Auf/Abwärtszählers mittels einer Zeitsteuerung erfolgt.
  • Aus der US 4 942 401 ist ein Verfahren zur Analog-Digitalumsetzung bekannt, wobei mittels eines Polaritätsdetektors die Polarität des Eingangssignals ermittelt und das Eingangssignal mit einem Versatz beaufschlagt wird.
  • Aus der US 5 150 121 ist ein Verfahren zur Analog-Digitalumsetzung bekannt, wobei die Steuerung der Zählrichtung in Abhängigkeit vom Nulldurchgang des Eingangssignals erfolgt.
  • Zweck der Erfindung ist es, die erwähnten Nachteile zu beseitigen.
  • Das Problem wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand des folgenden Ausführungsbeispiels (1) näher erläutert.
  • Das Verfahren besteht darin, dass die Operationen
    • – der Niederfrequenzfilterung,
    • – der Differenzierung,
    • – der Erzeugung der absoluten Größe der Ableitung,
    • – der U/F-Umwandlung und
    • – der reversierbaren Zählung serienweise verwirklicht werden, wobei
    • – die Zählung "vorwärts" bei positiver Größe der Ableitung und die Zählung "rückwärts" bei negativer Größe der Ableitung verwirklicht werden.
  • Das Blockschaltbild (1) besteht aus
    • – einem Tiefpassfilter (1)
    • – einem Differenzierer (2),
    • – einem Präzisionsgleichrichter (3),
    • – einem U/F-Wandler (4),
    • – einem elektronischen Schalter (5) (kurz, Schalter (5)),
    • – einem Reversierzähler (6) und
    • – einem Komparator (7), wobei
    • – ohne Rücksicht auf den Komparator (7) alle übrigen Elemente serienweise verbunden sind,
    • – der Eingang des Tiefpassfilters (1) mit dem Eingang der Vorrichtung verbunden ist,
    • – die Ausgänge des Reversierzählers (6) mit den Ausgängen der Vorrichtung verbunden sind,
    • – der erste Eingang des Komparators (7) mit dem Ausgang des Differenzierers (2) verbunden ist,
    • – der zweite Eingang des Komparators (7) mit der Erde verbunden ist,
    • – der Ausgang des Komparators (7) mit dem Steuereingang (14) des Schalters (5) verbunden ist,
    • – „die Kontakte" (12) und (13) des Schalters (5) mit den Eingängen "vorwärts" und "rückwärts" des Reversierzählers (6) entsprechend verbunden sind.
  • Die Vorrichtung (1) funktioniert folgendermaßen.
  • Der Tiefpassfilter (TPF) (1) schwächt die unerwünschten Hochfrequenzkomponenten des Analogsignals (wie bei jedem Analog-Digital-Umsetzungsverfahren). Wir werden das Signal an dem Ausgang des TPF (1) als x(t) bezeichnen. Dann sind die Signale an den Ausgängen des Differenzierers (2) und des Präzisionsgleichrichters (3) dx/dt und |dx/dt| entsprechend gleich.
  • Der U/F-Wandler (4) erzeugt die Rechteckimpulse. Die Zahl der Impulse werden wir als Nd bezeichnen. Diese Impulse kommen durch den Schalter (5) auf den Eingang "vorwärts" oder den Eingang "rückwärts" des Reversierzählers (6). Den Zustand des Reversierzählers (6) kann man als die Zahl Md charakterisieren. Wir werden die ganzzahligen Größen Nd und Md aus den kontinuierlichen Größen N = N(t) und M = M(t) ersetzen. Der Fehler des solchen Ersatzes entspricht dem Fehler der Quantisierung. Die Frequenz F der Ausgangsspannung des U/F-Wandlers (4) ist proportional zum Signal |dx/dt|: F = dN/dt = k|dx/dt| ≥ 0. (1)
  • Dank der Arbeit des Komparators (7) und des Schalters (5) sind die Größen M und N aus den Gleichungen dM/dt = dN/dt = k|dx/dt| = k(dx/dt) bei dx/dt ≥ 0, (2) dM/dt = –dN/dt = –k|dx/dt| = k(dx/dt) bei dx/dt ≤ 0, (3)verbunden. Die Gleichungen (1) und (2) sind äquivalent der Gleichung dM/dt = k(dx/dt), k = const. (4)
  • Wenn wir die Gleichung (4) integrieren werden, bekommen wir: M(t) – M(0) = k[x(t) – x(0)]. (5)
  • Bei der Einschaltung der Vorrichtung im Zeitmoment t = 0 befindet sich der Reversierzähler (6) im Ausgangszustand M(0), und die Ausgangsspannung des TPF (1) ist gleich x(0) = 0. Die Abweichung M(t) – M(0) werden wir Z(t) bezeichnen. Dann gilt: Z(t) = kx(t). (6)
  • Aus Gleichung (6) folgt, dass die Vorrichtung (1) ein linearer Analog-Digital-Umsetzer (ADU) ist. Seine Genauigkeit wird durch die Zahl der Binärstellen (B + 1) des Reversierzählers (6) bestimmt. Die Anfangeinstellung des Reversierzählers (6) ist eine solche, dass Mmin = 0, M(0) = 2B, Mmax = (2B+1 – 1); Zmin = –2B, Z(0) = 0, Zmax = (2B – 1). (7)
  • Für die Frequenz der Analogsignalsdiskretisierung kann man die Frequenz F der Ausgangsspannung des U/F-Wandlers (4) halten. Aus der Gleichung (1) sieht man, dass die Frequenz der Analogsignalsdiskretisierung zur absoluten Größe der Signalableitung proportional ist. Diese Eigenschaft ADU entspricht dem Prinzip der Adaptivdiskretisierung. Für die Länge des Zyklus kann man die Größe T = 1/F halten, die von der Geschwindigkeit der Signalveränderung abhängt. Hier wird in jedem Zyklus die spezielle Zeit für die Zählung der Impulse, deren Zahl zur Größe des Signals proportional ist, nicht gefordert. Die erwähnten Eigenschaften des ADU zeugen davon, dass Zweck der Erfindung erreicht ist.
  • 1
    • 1
    Tiefpassfilter
    2
    Differenzierer
    3
    Präzisionsgleichrichter
    4
    U/F-Wandler
    5
    Schalter
    6
    Reversierzähler
    7
    Komparator
    11, 12, 13
    „Kontakte" des Schalters
    14
    Steuereingang des Schalters
    15
    erster Eingang des Komparators

Claims (1)

  1. Analog-Digital-Umsetzungsverfahren, das die Operationen der Niederfrequenzfilterung des Signals und der U/F-Umwandlung einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Operationen – der Niederfrequenzfilterung, – der Differenzierung, – der Erzeugung der absoluten Größe der Ableitung, – der U/F-Umwandlung, – der reversierbaren Zählung serienweise verwirklicht werden, wobei – die Zählung "vorwärts" bei positiver Größe der Ableitung und die Zählung "rückwärts" bei negativer Größe der Ableitung verwirklicht werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2810519C2 (de) * 1977-03-12 1987-01-22 Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd., Kawasaki, Kanagawa, Jp
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Non-Patent Citations (1)

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SEIFART, M.: Analoge Schaltungen, 5. Aufl., Verlag Technik Berlin, S. 567f. *

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