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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Digitalisierung
eines analogen elektrischen Signals gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw.
9.
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Einrichtungen
(und die zugehörigen
Verfahren) zur Digitalisierung insbesondere von analogen elektrischen
Spannungen sind allgemein als AD-Wandler bekannt. Probleme gibt
es, wenn die Digitalisierung über
einen sehr großen
Dynamikbereich von beispielsweise 22 Bit oder mehr erfolgen soll.
So ist es bei Leistungsschaltern erforderlich, Wechselströme im Bereich
von 20 A bis 800000 A zu erfassen. Dies erfordert bei einer Genauigkeit
von 1% bei einem 20 A-Signal eine Auflösung von 200 mA, bei 2000 A
dagegen von 20 A. Insgesamt ergibt sich bei diesem Beispiel ein
Dynamikbereich von 800000/0,2 = 4000000, entsprechend 132 DB oder
22 Bit. Dabei sind AD-Wandler mit einer „echten” 22 Bit-Genauigkeit bei benötigten Abtastraten
von 8 kHz technisch noch nicht machbar und werden, wenn sie verfügbar sein
sollten, zunächst
sehr teuer sein.
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Bekannt
sind weiter programmierbare Verstärker PGA (Programmable Game
Amplifier), die das zu digitalisierende Signal in Abhängigkeit
von der jeweiligen Signal-Amplitude mehr oder weniger stark verstärken, so
dass der nachfolgende AD-Wandler jeweils optimal ausgesteuert ist,
um so eine hinreichende Genauigkeit zu erreichen. Nachteilig ist
dabei aber, dass die programmierbaren Verstärker eine hohe Präzision aufweisen
müssen,
was relativ teuer ist. Verwendet man mehrere Verstärkerstufen,
so müssen
diese wiederum sehr genau kalibriert sein. Dabei muss die Umschaltung
der einzelnen Verstärkerstufen
unter Umständen
jeweils sehr schnell erfolgen, um eine temporäre Über- bzw. Untersteuerung des
AD-Wandlers zu vermeiden.
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Auch
sind logarithmische Verstärker
bekannt, die allerdings zunächst
in aufwändiger
Analog-Technik ausgeführt
werden müssten.
Eine Rückrechnung
in einem nachgeschalteten Digitalteil wäre aufwändig und eine notwendige Temperaturkompensation
schwierig.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren
zur Digitalisierung von Signalen mit sehr großem Dynamikbereich vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs
1 und bezogen auf die Einrichtung durch die Merkmale des Anspruchs
9 gelöst;
die Unteransprüche
stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
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Die
Lösung
sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass das Signal auf mehrere
parallel geschaltete Subkanäle
gegeben wird, die ausgangsseitig einen Digitalwert des Signals ausgeben,
dass die Amplitudenbereiche der Subkanäle jeweils kleiner als der Gesamt-Amplitudenbereich
sind, dass die Amplitudenbereiche amplitudenmäßig unmittelbar benachbarter
Subkanäle
jeweils sich überlappend
gegeneinander verschoben sind, dass die sich überlappenden Amplitudenbereiche
den vorgegebenen Gesamt-Amplitudenbereich umfassen, dass ein Subkanal
als Referenzkanal dient, dass ausgehend vom Referenzkanal der ausgegebene
Digitalwert des amplitudenmäßig unmittelbar
benachbarten Subkanals korrigiert wird, wenn das Signal im Überlappungsbereich
der beiden Subkanäle
liegt und die Digitalwerte voneinander abweichen, und dass anhand
eines ausgegebenen Digitalwerts unter Berücksichtigung der Verschiebungen
der Amplitudenbereiche gegeneinander ein Gesamt-Digitalwert ausgeben
wird. Die Erfindungsidee besteht also grob gesagt darin, mehrere sich überlappende
Subkanäle
parallel zu schalten, ein Auseinandertriften der Subkanäle durch
Korrektur der entsprechenden Digitalwerte zu verhindern und die
Digitalwerte der Subkanäle
anschließend wieder
intelligent zusammenzufügen.
Intelligent heißt:
Nur die sinnvollen der von den Subkanälen gelieferten Digitalwerte
werden verwendet. Beim Zusammensetzen werden die Verschiebungen
der Amplitudenbereiche gegeneinander durch entsprechend berücksichtigt.
Für die
Korrektur werden immer die Digitalwerte zweier unmittelbar benachbarter
Subkanäle
verwendet. Die Subkanäle
korrigieren sich also immer gegenseitig, mit Ausnahme des Referenzkanals,
der als einziger entsprechend geeicht ist.
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Eine
vereinfacht Berücksichtigung
der Verschiebung bei der Ermittlung des Gesamt-Digitalwerts sieht
vor, dass die Amplitudenbereiche der Subkanäle im Gesamt-Amplitudenbereich
eine Staffelung bilden.
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Um
die Aussteuerung bei der Digitalisierung einfach einstellen zu können, wird
vorgeschlagen, dass die Subkanäle
eingangsseitig jeweils eine analoge Signalverstärkung aufweisen.
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Um
eine technisch einfache Ausführung
zu erzielen, werden für
die Signalverstärkungen
der Subkanäle
jeweils Zweierpotenzen gewählt.
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Bei
einer einfachen Ausführung
werden die Subkanäle
zur Digitalisierung jeweils mit den gleichen AD-Wandlern versehen.
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Die
Auswertung vereinfacht sich, wenn die Verschiebungen der gestaffelten
Amplitudenbereiche der Subkanäle
gegeneinander jeweils die gleiche Anzahl Bits aufweisen.
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Geringen
rechnerischen Aufwand erfordert es, wenn die Verschiebungen der
gestaffelten Amplitudenbereiche der Subkanäle gegeneinander zur Ermittlung
des Gesamt-Digitalwerts einfach durch die den Verschiebungen entsprechende
Anzahl Bits berücksichtigt
werden.
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Eine
einfache Korrektur der Signalverstärkungen erhält man, wenn die Berücksichtigung
der Verschiebungen durch Multiplikation mit einem dem Subkanal jeweils
zugeordneten Multiplikator erfolgt.
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Die
Lösung
sieht bezogen auf die Einrichtung vor, dass mehrere Subkanälen parallel
geschaltet sind und die Subkanäle
jeweils einen Digitalwert des analogen Signals ausgeben, wobei deren
Amplitudenbereiche jeweils kleiner als der Gesamt-Amplitudenbereich
der Einrichtung sind, wobei die Amplitudenbereiche amplitudenmäßig unmittelbar
benachbarter Subkanäle
derart gegeneinander verschoben sind, dass sie sich überlappen,
wobei die sich überlappenden
Amplitudenbereiche den vorgegebenen Gesamt-Amplitudenbereich umfassen
und wobei ein Subkanal als Referenzkanal dient. Weiter ist eine Korrektur
vorgesehen, welche jeweils ausgehend vom Referenzkanal den ausgegebenen
Digitalwert des amplitudenmäßig unmittelbar
benachbarten Subkanals korrigiert, wenn das Signal im Überlappungsbereich
der beiden Subkanäle
liegt und die Digitalwerte voneinander abweichen. Weiter weist die Einrichtung
eine Übernahme
auf, welche anhand der ausgegebenen Digitalwerte der Subkanäle unter
Berücksichtigung
der Verschiebungen der Amplitudenbereiche gegeneinander einen Gesamt-Digitalwert bildet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Einrichtung zur Digitalisierung eines analogen
elektrischen Signals mit drei parallel geschalteten Subkanälen,
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2 die
Lage der Amplitudenbereiche der Subkanäle in Bezug auf den Gesamt-Amplitudenbereich
D der Einrichtung gemäß 1,
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3 ein
Blockschaltbild einer Einrichtung mit Kompensation der analogen
Signalverstärkungen nach
den AD-Wandlern und
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4 die Übernahme
der Digitalwerte der Subkanäle
von einer gemeinsamen digitalen Signalverarbeitung.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Digitalisierung eines
analogen elektrischen Signals Sa. Die Einrichtung weist mehrere
(hier drei) parallel geschaltete Subkanäle SK1, SK2, SK3 auf, an denen
das Signal Sa gleichzeitig anliegt. Das Signal Sa wird anschließend in
jedem Subkanal SK1, SK2, SK3 verstärkt (Signalverstärkung A1,
A2, A3), bevor es auf den Eingang eines AD-Wandlers ADC1, ADC2,
ADC3 gegeben wird. Die Ausgangswerte der AD-Wandler ADC1, ADC2,
ADC3 gelangen anschließend
in eine gemeinsame digitale Signalverarbeitung DSV, welche die Werte übernimmt
(Übernahme
UE) und daraus einen Gesamt-Digitalwert Sd bildet und ausgibt.
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Die
AD-Wandler ADC1, ADC2, ADC3 sind hier im Ausführungsbeispiel jeweils gleich
(es können
aber auch unterschiedliche AD-Wandler in jedem Subkanal SK1, SK2,
SK3 verwendet werden).
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Die
Amplitude des Signals Sa liegt innerhalb eines Gesamt-Amplitudenbereichs
(Gesamt-Dynamikbereichs) D von 24 Bit. Die geforderte Genauigkeit
der Einrichtung beträgt
12 Bit, bei einer Auflösung
der AD-Wandler ADC von 16 Bit. Die Signalverstärkungen A1, A2, A3 sind so
eingestellt und die AD-Wandler ADC1, ADC2, ADC3 so gewählt, dass ein
den Amplitudenbereich von 24 Bit voll ausnutzendes Signal Sa den
AD-Wandler ADC1 voll aussteuert. (Die Signalverstärkung A1
kann z. B. 1 betragen oder die Signalverstärkung A1 in diesem Falle weggelassen
werden). Die Signalverstärkung
A2 des Subkanals SK2 ist um den Faktor 24 größer als
die Signalverstärkung
A1. Entsprechend wird der AD-Wandler ADC2 bei sehr großen Signalen
Sa voll aufgesteuert, während
der AD-Wandler ADC1 diese Signale Sa noch anzeigt. Wird das Signal
Sa so klein, dass vom AD-Wandler
ADC1 weniger als 12 Bit genutzt werden, so kommt der AD-Wandler
ADC2 (Subkanal SK2) ins Spiel. Dessen Eingangssignal ist das um
den Faktor 24 verstärkte Signal Sa, was einem 4 Bit-Versatz
zwischen den AD-Wandlern ADC1 und ADC2 entspricht. Wenn das Signal
Sa so klein ist, dass auch der AD-Wandler ADC2 weniger als 12 Bit nutzt,
kommt der AD-Wandler ADC3 (Subkanal SK3) ins Spiel. Dessen Signalverstärkung A3
beträgt
28, was einem Versatz zwischen den AD-Wandlern ADC2
und ADC3 von 4 Bit entspricht (und entsprechend von 8 Bit zwischen
den AD-Wandlern ADC1 und ADC3)
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2 zeigt
schematisch die Lage der Amplitudenbereiche AB1, AB2, AB3 in Bezug
auf den Gesamt-Amplitudenbereich D der Einrichtung. Die Bits der
Amplitudenbereiche AB1, AB2, AB3 sind in 2 als Kästchen B
dargestellt. Entsprechend dem oben Gesagten weist jeder Amplitudenbereich
AB1, AB2, AB3 genau 16 Kästchen
B auf. Jeder Amplitudenbereich AB1, AB2, AB3 ist kleiner als der
Gesamt-Amplitudenbereich D und die Amplitudenbereiche AB1, AB2,
AB3 überlappen
einander, wobei jeder Amplitudenbereich AB1, AB2, AB3 gegenüber dem
unmittelbar benachbarten Amplitudenbereich AB2 bzw. AB3 jeweils
um 4 Bit verschoben ist. Die Amplitudenbereiche AB1, AB2, AB3 der
Subkanäle
SK1, SK2, SK3 bilden also innerhalb des Gesamt-Amplitudenbereichs D eine Staffel, deren
Verschiebung V (Abstaffelung) jeweils 4 Bit beträgt. Auf diese Weise wird mit drei
AD-Wandlern ADC1, ADC2, ADC3 eine Genauigkeit der Einrichtung (Systemgenauigkeit)
von 12 Bit sichergestellt.
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Die
Signalverarbeitung DSV entscheidet darüber, welcher von den drei AD-Wandlern
ADC1, ADC2, ADC3 ausgegebene Digitalwert (Datenwort) übernommen
wird, um diesen unter Berücksichtigung
der jeweiligen Verschiebungen V im 24 Bit-Format auszugeben.
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Eine
modifizierte Einrichtung ebenfalls mit drei Subkanälen SK1,
SK2, SK3 zeigt die schematische Darstellung in 3.
Wie in 1 wird ein Signal Sa auf die drei parallel geschalteten
Subkanäle SK1,
SK2, SK3 gegeben, deren Ausgänge
wiederum auf eine gemeinsame digitale Signalverarbeitung DSV zur
Zusammenführung
der Digitalwerte der drei Subkanäle
SK1, SK2, SK3 gegeben werden.
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Bei
der Einrichtung in 3 wird die analoge Signalverstärkung A1,
A2, A3 nach dem AD-Wandler ADC1, ADC2, ADC3 vor der Zusammenführung in der
Signalverarbeitung DSV allerdings wieder rückgängig gemacht, so dass am Ausgang
jedes Subkanals SK1, SK2, SK3 wieder ein Digitalwert vorliegt, wobei
die Digitalwerte hier aber die gleiche Gewichtung aufweisen. Da
die analogen Signalverstärkungen
A1, A2, A3 wieder Zweierpotenzen (24 bzw.
28) sind, lassen sie sich hinter dem AD-Wandler
ADC1, ADC2, ADC3 durch einen Bit-Shift BS1, BS2 von jeweils 4 Bit
kompensieren.
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In
der Praxis weichen die analogen Signalverstärkungen A1, A2, A3 von den
Zweierpotenzen immer etwas ab. Aus diesem Grunde sind dem Bit-Shift
BS1 bzw. BS2 digitale Multiplizierer M1, M2, M3 nachgeschaltet,
die über
die Parameter „Adjust” Ad1, Ad2,
Ad3 (Korrekturfaktoren) die Verstärkung des jeweiligen Subkanals
SK1, SK2, SK3 kalibrieren bzw. korrigieren. Ein Subkanal, hier der
empfindlichste Subkanal SK3, erhält
seinen Korrekturwert KD allerdings durch eine (Vor)Kalibrierung
(z. B. eine Werkskalibrierung). Damit bildet der Subkanal SK3 den
Referenzkanal für
die beiden anderen Subkanäle
SK1 und SK2. Die Einrichtung verfügt also gemäß 3 über eine
Korrektur ausgehend von einem Referenzkanal, hier dem Subkanal SK3.
Der Parameter Ad3 korrigiert hier lediglich die Signalverstärkung A3.
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Wie 3 weiter
zeigt, geben die AD-Wandler ADC1, ADC2, ADC3 denselben Wert – im Rahmen
ihrer jeweiligen Auflösung
(Auflösungsgenauigkeit,
Messgenauigkeit) – aus,
wenn sich das Signal Sa in den Amplitudenbereichen AB1 und AB2 bzw. AB2
und AB3 befindet, in denen sich diese überlappen. So wird der Signalwert
Sa1 (s. 2) von den beiden Subkanälen SK2
und SK3 im Rahmen ihrer Auflösung
ausgegeben und über
einen Vergleich Calc2 werden beide Digitalwerte miteinander verglichen.
Weicht das Ergebnis des Subkanals SK2 von dem des Subkanals SK3
ab, so verstellt die Vergleichseinheit Calc2 den Parameter Ad2 entsprechend;
es erfolgt auf diese Weise eine Nachkalibrierung des Subkanals SK2.
Der Subkanal SK1 wird bei entsprechend großem Signal Sa analog über Calc1 nachjustiert.
Die Korrektur der Subkanäle
SK1, SK2, die im Rahmen der Auflösung
ein Auseinandertriften der drei Subkanäle SK1, SK2, SK3 verhindert,
erfolgt also ausgehend vom Referenz-Subkanal SK3 jeweils sukzessive über die
amplitudenmäßig unmittelbar benachbarten
Subkanäle
SK1 und SK2.
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Die Übernahme
der Digitalwerte der Subkanäle
SK1, SK2, SK3 von der digitalen Signalverarbeitung DSV ist schematisch
in 4 gezeigt, in der die Digitalwerte als Betrag
darstellt sind mit getrenntem Vorzeichenbit VB (sogenanntes Vorzeichen-Format). Jeder AD-Wandler
ADC1, ADC2, ADC3 weist eine 16 Bit-Auflösung
auf, was jeweils durch 16 kleine Kästchen B in 4 dargestellt
ist. Die Pfeile F stellen die Korrekturrichtung und die länglichen
Kästen
AmN den Abgleich (Abgleichsbereich) mittels der Multiplizierer M1,
M2, M3 schematisch dar. Die Pfeile sollen die Übernahme UE mittels der digitalen
Signalverarbeitung DSV (UEmDSV) schematisch darstellen. Die Übernahme
UE (das Zusammenfügen)
der einzelnen Digitalwerte zu einem einzigen Gesamt-Digitalwert
A (von 24 Bit) lässt
sich anhand von 4 leichter verstehen, in der
die Digitalwerte übereinander
dargestellt sind, unter Berücksichtigung
der 4-Bit-Verschiebung
V der Amplitudenbereiche AB1, AB2, AB3 gegeneinander.
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Im
Idealfall könnten
die Digitalwerte sogar einfach von oben nach unten von der digitalen
Signalverarbeitung DSV übernommen
und bei Bedarf ausgegeben werden.
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Allerdings
muss die digitale Signalverarbeitung DSV dazu entscheiden (erkennen),
ob ein AD-Wandler ADC1 oder ADC2 oder ADC3 übersteuert ist und welcher
von zwei gültigen
Digitalwerten aufgrund der unterschiedlichen Genauigkeit zu übernehmen
ist.
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Nimmt
man zunächst
ein kleines Signal Sa an, bei dem der AD-Wandler ADC3 nicht übersteuert wird, so können von
der digitalen Signalverarbeitung DSV alle Bits unten in den Gesamt-Digitalwert A übernommen
werden. Gleichzeitig kann mit jedem Digitalwert die Abweichung der
AD-Wandler ADC1 und ADC2 vom ”Sollwert” des AD-Wandlers
ADC3 berechnet werden (z. B. durch Quotientenbildung). Damit stehen
die Parameter Ad1 und Ad2 für
die Multiplizierer M1 und M2 zur Verfügung. Die Veränderung
der Parameter Ad1 und Ad2 erzwingt, dass die Subkanäle SK1 und
SK2 ebenfalls diesen Digitalwert anzeigen. Wird der AD-Wandler ADC3 übersteuert, dann
wird der letzte Korrekturwert AD1 und AD2 jeweils beibehalten und
der Subkanal SK2 ist bis auf weiteres die ”Referenz” für den Subkanal SK1. Der Digitalwert
des AD-Wandlers ADC3 wird in diesem Fall komplett ignoriert und
stattdessen wird der Digitalwert des AD-Wandlers ADC2 in das Ergebnis, dem Gesamt-Digitalwert
A, übernommen.
Die niederwertigsten Bits im Digitalwert, die nur der AD-Wandler ADC3
hätte liefern
können,
sind unterhalb der geforderten Genauigkeit der Einrichtung und können wahlweise
zu 0 (oder alternativ auch zu 1) gesetzt werden. Der Subkanal SK1
wird in diesem Fall anhand des Digitalwerts des AD-Wandlers ADC2 korrigiert (nachgeführt). Ist
das Signal Sa noch größer, so
dass der AD-Wandler ADC2 übersteuert
wird, so wird der Digitalwert komplett aus dem Subkanal SK1 in das Ergebnis übernommen.
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Ist
das Signal Sa wieder kleiner, was durch Nullwerden der höherwertigen
(der linken oberen Bits in 4) leicht
detektierbar ist, dann wird von der digitalen Signalverarbeitung
DSV wieder zunächst
der empfindlichere Subkanal SK2 bzw. SK3 zugeschaltet. Eine Korrektur über die
Multiplizierer M1, M2, M3 findet dabei nicht mehr statt; der zuletzt
gültige
Korrekturwert bleibt erhalten.
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Bei
Signalen Sa in Form von Gleichspannungen usw. muss man wegen der
Drift beim Zurückschalten
auf die empfindlicheren Subkanäle
SK2 und SK3 gegebenenfalls die unempfindlicheren Subkanäle SK1 (und
SK2) zum Master für
den multiplikativen Abgleich der empfindlicheren Subkanäle SK2 und
SK3 machen. Dies insbesondere dann, wenn sie längere Zeit aktiv waren.
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Ist
das Signal Sa ein Wechselsignal (z. B. eine Wechselspannung), wird
bei 50 Hz spätestens nach
10 Millisekunden (nach einer Halbwelle – detektiert durch Wechsel
des Vorzeichenbits VB in 4) von den unempfindlicheren
Subkanälen
SK1, SK2 wieder auf den (empfindlichsten) Referenzkanal (Subkanal
SK3) zurückgeschaltet,
so dass ein permanenter Abgleich der Subkanäle SK1, SK2, SK3 untereinander
stattfindet. Dieser rein multiplikative Abgleich der einzelnen Subkanäle SK1,
SK2, SK3 setzt eine Offset-Freiheit voraus, welche man aber relativ
leicht mit einem digitalen Hochpassfilter vor dem jeweiligen Multiplizierer
M1, M2, M3 erreichen kann.
