-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wandlervorrichtungen zur
Wandlung von digitalen Eingangssignalen in analoge Ausgangssignale.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Ansteuermodule für analoge
Endverbraucher, wie beispielsweise Aktoren oder Motoren, die mit
Analogspannungen bzw. Analogströmen
betrieben werden und die im Allgemeinen ein Tiefpassverhalten aufweisen.
-
Spezifisch
betrifft die vorliegende Erfindung eine elektronische Wandlervorrichtung
zur Wandlung eines digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal,
wobei die Wandlervorrichtung eine Eingabeeinheit zur Eingabe des
digitalen Eingangssignals, eine Wandlereinheit zur Umsetzung des
digitalen Eingangssignals in das analoge Ausgangssignal entsprechend
einem vorgegebenen Wandlertakt und eine Ausgangseinheit zur Ausgabe
des gewandelten digitalen Eingangssignals als das analoge Ausgangssignal
aufweist.
-
STAND DER TECHNIK
-
Zur
Ansteuerung eines Verbrauchers bzw. einer elektronischen Einrichtung
werden Vorrichtungen bereitgestellt, die digitale Zahlenwerte in
ein analoges Ausgangssignal umsetzen. Dieses analoge Ausgangssignal
ist proportional zu einem Strom und/oder einer Spannung, mit welcher
der Verbraucher angesteuert wird. 1 zeigt
ein Verfahren zum Ansteuern eines Verbrauchers, der beispielsweise als
ein Motor oder ein Aktor bereitgestellt sein kann, nach dem Stand
der Technik.
-
Wie
in 1 gezeigt, ändert
sich ein in eine Wandlervorrichtung eingegebenes Eingangssignal
E rampenförmig
als Funktion der Zeit t. Beispielhaft ist hier ein Spannungsverlauf
U in Volt zwischen den Spannungswerten 60,0 Volt und 61,0 Volt gezeigt. Wie
in 1 veranschaulicht, ändert sich hierbei das Eingangssignal
E linear. Es sei darauf hingewiesen, dass das Eingangssignal E durch
sukzessive digitale Werte bereitgestellt ist.
-
Ein
durch eine Wandlereinrichtung digital/analog-gewandeltes Ausgangssignal
A ist als Beispiel für
ein herkömmliches
Wandlerverfahren durch die Kurve A dargestellt. Wie gezeigt, kann
sich das Signal A nur stufenförmig
dem Signal E annähern, wobei
die Größe der Quantisierungsstufen
der D/A-(digital-analog-)Wandlereinrichtung abhängig ist. Zwar erfolgt üblicherweise
in einer derartigen, mit Analogspannungen und/oder Analogströmen betriebenen
elektrischen Einrichtung eine Tiefpassfilterung derart, dass die
in 1, Kurve A gezeigten Quantisierungsstufen geglättet werden,
es ist jedoch nachteilig, dass die durch den digitalen Wert vorgegebene Kurve
E nur in äußerst wenigen
Fällen
durch die Kurve A exakt angenähert
wird, d. h. es existieren nur wenige Schnittpunkte der Kurven E
und A.
-
VORTEILE DER ERFINDUNG
-
Die
der Erfindung zugrundeliegende Problematik besteht darin, eine stationäre Auflösung eines Ausgangssignals
von Digital/Analogwandlereinrichtungen zu verbessern. Die vorliegende
Erfindung stellt hierzu eine elektronische Wandlervorrichtung bereit,
die ein digitales Eingangssignal präzise in ein analoges Ausgangssignal
wandelt. Eine derartige Wandlervorrichtung weist im Wesentlichen
die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Ferner ist ein Verfahren
bereitgestellt, das die im nebengeordneten Anspruch 3 angegebenen
Schritte aufweist.
-
Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Eine
Kernidee der Erfindung besteht darin, mehrere Signalperioden eines
modulierten Ausgangssignals der Wandlereinrichtung zu einer längeren Pseudoperiode
virtuell zusammenzufassen und ein Signalmuster zu bilden, bei dem
Signalintegrale von Einzelperioden über der Pseudoperiode gemittelt eine
höhere
Auflösung
des Ansteuermaßes
bereitstellen.
-
In
vorteilhafter Weise wird bei Verbrauchern mit einem ausgeprägten Tiefpassverhalten
bezogen auf die Länge
der Pseudoperiode ein stationärer
Arbeitspunkt mit einer wesentlich verbesserten Auflösung einstellbar.
Ein Kontroller zur Steuerung der Modulation benötigt keinen umfangreichen Signalwandler,
sondern beruht auf einer Erweiterung von Software-Komponenten, wodurch
die Anordnung in vorteilhafter Weise nicht in den Herstellungskosten wesentlich
ansteigt.
-
Insbesondere
ist es zweckmäßig, dass
die Wandlereinheit eine Modulationseinheit zur Modulation des analogen
Ausgangssignals mit einer Pseudoperiode aufweist, wobei ein entsprechender
Mittelwert der Pseudoperiode als ein Wert des analogen Ausgangssignals
bereitgestellt wird.
-
Die
erfindungsgemäße elektronische
Wandlervorrichtung zur Wandlung eines digitalen Eingangssignals
in ein analoges Ausgangssignal weist im Wesentlichen auf:
- a) eine Eingabeeinheit zur Eingabe des digitalen Eingangssignals;
- b) eine Wandlereinheit zur Umsetzung des digitalen Eingangssignals
in das analoge Ausgangssignal entsprechend einem vorgegebenen Wandlertakt;
und
- c) eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe des gewandelten digitalen
Eingangssignals als das analoge Ausgangssignal. Die Wandlereinheit
weist ferner eine Modulationseinheit zur Modulation des analogen
Ausgangssignals mit einer Pseudoperiode auf, wobei ein entsprechender
Mittelwert der Pseudoperiode als ein Wert des analogen Ausgangssignals
bereitgestellt wird.
-
Weiterhin
weist das erfindungsgemäße Verfahren
zum Wandeln eines digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal
im Wesentlichen die folgenden Schritte auf:
- a)
Eingeben des digitalen Eingangssignals mittels einer Eingabeeinheit;
- b) Umsetzen des digitalen Eingangssignals in das analoge Ausgangssignal
entsprechend einem vorgegebenen Wandlertakt; und
- c) Ausgeben des gewandelten digitalen Eingangssignals als das
analoge Ausgangssignal mittels einer Ausgabeeinheit, wobei das analoge Ausgangssignal
mit einer Pseudoperiode mittels einer Modulationseinheit, die in
der Wandlereinheit bereitgestellt ist, moduliert wird, und ein entsprechender
Mittelwert der Pseudoperiode als ein Wert des analogen Ausgangssignals
bereitgestellt wird.
-
In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
jeweiligen Gegenstands der Erfindung.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist eine Filtereinheit
zur Tiefpassfilterung des analogen Ausgangssignals bereitgestellt,
wobei die Filtereinheit der Ausgabeeinheit nachgeschaltet ist. Somit
ist es vorteilhaft, dass auch Verbraucher, d. h. elektrische Einrichtungen,
welche kein Tiefpassverhalten aufweisen, mit dem Ausgangssignal
der Wandlervorrichtung betrieben werden können.
-
Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird
der Wert des analogen Ausgangssignals durch Signalintegrale von
Einzelperiode über
der Pseudoperiode gemittelt bereitgestellt. Eine derartige Mittelung
wird in zweckmäßiger Weise
in Verbrauchern mit ausgeprägtem
Tiefpassverhalten ermöglicht.
Ferner ist es vorteilhaft, eine Filtereinheit zur Tiefpassfilterung
des analogen Ausgangssignals bereitzustellen.
-
Auch
ist es zweckmäßig, eine
elektrische und/oder mechanische Trägheit einer als Verbraucher
angeordneten elektrischen Einrichtung zur Tiefpassfilterung zu benutzen.
-
Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist
die Pseudoperiode ein einstellbares Tastverhältnis auf. In zweckmäßiger Weise
ist ein Tastverhältnis
derart einstellbar, dass ein entsprechender Mittelwert der Pseudoperiode
als ein Wert des analogen Ausgangssignals optimal angenähert wird.
-
Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird
die Pseudoperiode durch mindestens zwei Taktperioden des Wandlertakts
bereitgestellt. Hierbei ist es zweckmäßig, dass einmalig oder mehrmalig
(z.B. ab grösser
oder gleich 3 Taktperioden) zwischen zwei Quantisierungsstufen umgeschaltet
werden kann.
-
Ferner
ist es zweckmäßig, dass
ab einer Länge
der Pseudoperiode von drei oder mehr Perioden Signalmuster aus mehreren
unterschiedlichen Quantisierungsstufen bereitgestellt werden können bzw.
dass mehrmalig zwischen zwei Quantisierungsstufen umgeschaltet werden
kann.
-
Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird
das aus der Ausgabeeinheit ausgegebene analoge Ausgangssignal tiefpassgefiltert.
Eine derartige Tiefpassfilterung erfolgt in einer separaten, nach
der Ausgabeeinheit bereitgestellten Filtereinheit oder durch ein ausgeprägtes Tiefpassverhalten
einer Verbrauchereinrichtung oder durch ein elektrisches/mechanisches
Trägheitsverhalten
einer Verbrauchereinrichtung.
-
Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird
in der Modulationseinheit zur Modulation des analogen Ausgangssignals
mit einer Pseudoperiode eine Pulsweitenmodulation bereitgestellt.
-
Auf
diese Weise ist es möglich,
die oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zu überwinden
und eine Wandlervorrichtung mit einer verbesserten stationären Auflösung von
Modulationsverfahren bereitzustellen.
-
ZEICHNUNGEN
-
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
-
In
den Zeichnungen zeigen:
-
1 ein
Verfahren zum Wandeln eines digitalen Eingangssignals in ein analoges
Ausgangssignal gemäß dem Stand
der Technik;
-
2 ein
Blockbild einer elektronischen Wandlervorrichtung zur Wandlung eines
digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
-
3 ein
Verfahren zum Wandeln eines digitalen Eingangssignals in ein analoges
Ausgangssignal gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
-
In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten oder Schritte.
-
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
2 zeigt
ein Blockbild einer elektronischen Wandlervorrichtung 100 zur
Wandlung eines digitalen Eingangssignals 101 in ein analoges
Ausgangssignal 201 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Mit einem Bezugszeichen 300 ist
eine Wandlereinheit bezeichnet, die einen Digital-Analogkonverter
D/A und eine Modulationseinheit 301 aufweist.
-
Das
zu wandelnde digitale Eingangssignal 101 wird in eine Eingabeeinheit 102 eingegeben
und anschließend
der Wandlereinheit 300 zugeführt. Das aus der Wandlereinheit 300 ausgegebene
analoge Ausgangssignal 201 wird über eine Ausgabeeinheit 202 zu
einem Ausgangsanschluss ausgegeben. An diesem Ausgangsanschluss
kann ferner eine Filtereinheit 302 zur Tiefpassfilterung
bereitgestellt sein. Die Filtereinheit 302 dient einer
Tiefpassfilterung des analogen Ausgangssignals 201, um
ein tiefpassgefiltertes analoges Ausgangssignal 201' auszugeben.
-
Die
in 3 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eignet sich insbesondere für Verbraucher,
bei welchen eine Tiefpassfilterung durch eine Trägheit elektrischer oder mechanischer
Art des Verbrauchers bereitgestellt wird. Auf diese Weise ist es
möglich,
dass ein moduliertes Signal zeitlich über mehrere Perioden gemittelt
werden kann. Das gemittelte Signal ist somit ein Maß für die Ansteuerung
des Verbrauchers mit einem analogen Spannungs- und/oder Stromwert.
Insbesondere ist es gemäß dem in 2 gezeigten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, dass ein Hardwareaufwand
gegenüber
herkömmlichen
Wandlereinrichtungen nicht erhöht
ist. Es sind lediglich Softwaremodule zusätzlich notwendig, die dafür sorgen,
dass ein stationärer analoger
Ausgangswert über
mehrere Signalperioden gemittelt werden kann.
-
Somit
ist es in zweckmäßiger Weise
möglich, eine
stationäre
Auflösung
von Wandlervorrichtungen zu erhöhen,
ohne eine Amplituden- bzw. Bit-Auflösung der Wandlereinrichtung
erhöhen
zu müssen. Auf
diese Weise lassen sich vorhandene Komponenten einsetzen, die eine
durch einen Taktgenerator vorgegebene Zeitauflösung aufweisen. Somit ist es möglich, die
Erhöhung
der stationären
Auflösung ohne
eine Erhöhung
des Hardwareaufwands bereitzustellen, wodurch eine kostengünstige Wandlereinrichtung
mit einer hohen stationären
Auflösung
erreicht wird.
-
Der
grundsätzliche
Vorteil des Prinzips der Erfindung besteht darin, dass eine hohe
Zeitauflösung
in Wandlereinrichtungen üblicherweise
bereitgestellt wird, während
eine hohe Amplitudenauflösung
mit zusätzlichen
Hardwarekosten verbunden ist. Die bisher in elektronischen Wandlervorrichtungen
nicht genutzte hohe Zeitauflösung
verwendet die vorliegende Erfindung, um Pseudoperioden mit der in der
Wandlervorrichtung 300 bereitgestellten Modulationseinheit 301 zu
erzeugen. Eine derartige Erhöhung
der Auflösung,
die das erfindungsgemäße Verfahren
bereitstellt, wird untenstehend unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert.
-
3 zeigt
ein Verfahren zum Wandeln eines digitalen Eingangssignals 101 in
ein analoges Ausgangssignal 201 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
Beispielhaft
ist der Verlauf von Werten des digitalen Eingangssignals 101 durch
einen rampenförmigen
Anstieg von 60,0 Volt auf 61,0 Volt dargestellt, wobei der Graph
in 3 Spannungen 404 als Funktion der Zeit 403 darstellt.
In dem gezeigten Beispiel ist die Zeit auf der horizontalen Achse
in Millisekunden (ms) angegeben, während die Spannung 404 auf
der vertikalen Achse in Volt (V) angegeben ist. Wie in 3 gezeigt,
werden unterschiedliche digitale Eingangssignalwerte 101 durch
jeweilige Pseudoperioden 401a-401n angenähert. So
bewegt sich eine Pseudoperiode 402a zwischen den Spannungsamplitudenwerten
59,8V und 60,2V und nähert
somit den Spannungswert 60,0 n. In gleicher Weise nähern die übrigen Pseudoperioden 401b...401n weitere Werte
an.
-
Hierbei
ist der Verlauf eines Signalmusters über eine Pseudoperiode, mit
einem Bezugszeichen 405 bezeichnet, entscheidend. Eine
virtuelle Zusammenfassung mehrerer Signalperioden des modulierten
Signals zu einer längeren
Pseudoperiode erlaubt die Bildung eines Signalmusters, bei dem die
Signalintegrale der Einzelperioden über der Pseudoperiode gemittelt
werden können,
so dass sich eine höhere Auflösung eines
Ansteuersignals für
elektronische Verbrauchereinrichtungen, die mit dem analogen Ausgangssignal 201 angesteuert
werden, ergibt.
-
Ein
jeweils erhaltener Mittelwert 402a-402n der Pseudoperiode
ist in 3 angegeben. Dieser Mittelwert 402a-402n repräsentiert
den stationären Analogwert
wesentlich präziser
als bei den herkömmlichen
Verfahren, die obenstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
sind.
-
Bei
Verbrauchern mit einem ausgeprägten Tiefpassverhalten,
wobei das Tiefpassverhalten bezogen wird auf die Länge der
Pseudoperiode, ergibt sich dadurch die Möglichkeit, dass ein stationärer Arbeitspunkt
mit einer erhöhten
Auflösung
angefahren bzw. eingestellt werden kann. Ein Modulationskontroller
der Modulationseinheit 301 (der Modulationskontroller ist
in der 2 nicht gezeigt) muss damit nicht durch einen
höheren
Hardwareaufwand bereitgestellt werden, sondern kann zusätzliche
Softwarekomponenten aufweisen, die die entsprechenden Pseudoperioden 401a-401n erzeugen.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass zu einer Pseudoperiode zwei oder mehrere
Perioden zusammengefasst werden können. Werden zu einer Pseudoperiode
zwei Perioden zusammengefasst, kann einmalig zwischen zwei unterschiedlichen
Quantisierungsstufen umgeschaltet werden. Werden mehr als zwei Perioden
zu einer Pseudoperiode zusammengefasst (der Fall, der in 3 bei
dem Bezugszeichen 401a, 401b, 401c und 401n dargestellt
ist), können
Signalmuster aus mehreren unterschiedlichen Quantisierungsstufen
eingesetzt werden.
-
Ein
ausgeprägtes
Tiefpassverhalten bzw. eine elektrische/mechanische Trägheit des
Verbrauchers bzw. der elektronischen Einrichtung, die mit dem analogen
Ausgangssignal 201 angesteuert wird, resultiert in einem
entsprechenden Analogwert, der eine erhöhte stationäre Auflösung des Ansteuermaßes aufweist.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
stellt somit Ausgangsspannungen in konstanten Arbeitspunkten bereit,
die ein Taktmuster mit unterschiedlichen Pseudoperioden aufweisen.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar.
-
Auch
ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten
beschränkt.