DE10256176B4

DE10256176B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bildung des Mittelwertes eines periodischen Signals

Info

Publication number: DE10256176B4
Application number: DE2002156176
Authority: DE
Inventors: Axel Christoph
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-12-03
Also published as: DE10256176A1

Abstract

Verfahren zur Bildung des momentanen Mittelwertes eines periodischen Signals (S(t)), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
– Ermitteln von Differenzwerten (DS(i)), die jeweils der Differenz zwischen einem Abtastwert (S(i)) des periodischen Signals (S(t)) innerhalb einer Periode und einem für die vorherige Periode ermittelten Mittelwert (M₀) entsprechen,
– Bilden des Mittelwertes der Differenzwerte (DS(i)),
– Addieren des Mittelwertes (DSM) der Differenzwerte (DS(i)) zu dem für die vorherige Periode ermittelten Mittelwert (M₀), um den momentanen Mittelwert zu bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung des Mittelwertes eines periodischen Signals, insbesondere eines einen Gleichanteil enthaltenden periodischen Signals.
Die Mittelwerte periodischer Signale, insbesondere von in elektronischen Schaltungen vorkommenden periodischen Signalen, können Schwankungen unterliegen, wenn sich dem periodischen Signal beispielsweise gleichgerichtete Störsignale überlagern oder wenn ein Bezugspotential, auf welches das Signal bezogen ist, Schwankungen unterliegt.

Zur Ermittlung des Mittelwertes eines periodischen Analogsignals ist es hinlänglich bekannt, das periodische Signal in gleichmäßigen Zeitabständen, die geringer sind als die Periodendauer, abzutasten und die während einer Periodendauer erhaltenen Abtastwerte aufzuaddieren und die hierdurch erhaltene Summe durch einen Wert zu dividieren, der der Anzahl der Abtastwerte entspricht. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE 199 13 753 A1 beschrieben. Alternativ werden die einzelnen Abtastwerte bereits vor der Addition durch diesen die Anzahl der Abtastwerte repräsentierenden Wert geteilt.

Um die Abtastwerte des analogen Signals in einer geeigneten digitalen Schaltung in der erläuterten Weise verarbeiten, insbesondere aufaddieren zu können, ist ein Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) erforderlich, der die analogen Abtastwerte in weiter verarbeitbare digitale Abtastwerte umsetzt. Der Aufwand, der für die Realisierung eines solchen AD-Wandlers erforderlich ist, steigt dabei mit dem Auflösungsvermögen des Wandlers. Dieses Auflösungsvermögen ist um so größer, je geringer der Amplitudenunterschied zweier Eingangssignale sein darf, die als unterschiedliche Signale am Ausgang des AD-Wandlers dargestellt werden. Bei einem vorgegebenen Auflösungsvermögen steigt der Aufwand für die Realisierung des AD-Wandlers mit der Amplitude der Eingangssignale, die in digitale Werte umgesetzt werden sollen.

Bei periodischen Signalen, bei denen der Gleichanteil groß im Vergleich zum Schwingungsanteil, ist ein erheblicher Teil des Schaltungsaufwandes in dem AD-Wandler für die Wandlung des Gleichanteils erforderlich.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Mittelwertes eines analogen periodischen Signals, insbesondere eines periodischen Signals, das einen von Null verschiedenen Gleichanteil enthält, zur Verfügung zu stellen, wobei der Aufwand eines Analog-Digital-Wandlers zur Wandlung eines analogen Abtastsignals in ein weiter verarbeitbares digitalisiertes Signal gegenüber herkömmlichen Schaltungen reduziert ist.

Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß der Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildung des Mittelwertes eines analogen periodischen Signals ist vorgesehen, das periodische Signal während einer vorgegebenen Periode mehrmals abzutasten, um Abtastwerte zu erhalten, und zwischen jedem der während dieser Periode ermittelten Abtastwerte und einem für eine vorhergehende Periode ermittelten Mittelwert eine Differenz zu bilden, um Differenzwerte zu erhalten. Anschließend wird der Mittelwert dieser Differenzwerte gebildet und der Mittelwert der Differenzwerte wird zu dem für die eine vorhergehende Periode ermittelten Mittelwert addiert um den Mittelwert für die vorgegebene Periode zu erhalten.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass für eine digitale Signalverarbeitung die Differenzen zwischen je einem der Abtastwerte einer Periode und dem Mittelwert einer vorherigen Periode anstelle des Abtastwerts selbst einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen werden, um ein digitalisiertes, mittels digitaler Schaltungen weiter verarbeitbares Signal zu erhalten. Bei periodischen Signalen, bei denen der Gleichanteil des Signals groß im Vergleich zu dem Schwingungsanteil ist, ist diese Differenz klein im Verhältnis zur Amplitude des Abtastwertes, wodurch die Anforderungen an einen Analog-Digital-Wandler mit einer gegebenen Auflösung entsprechend geringer sind. Für die Mittelwertbildung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Gleichanteil zunächst eliminiert, indem er von jedem Abtastwert subtrahiert wird, wobei diese Subtraktion vorzugsweise analog erfolgt. Der zunächst subtrahierte Gleichanteil wird erst nach der Mittelwertbildung der Differenzen wieder hinzuaddiert, um den durch die Subtraktion verursachten Fehler auszugleichen und einen korrekten Wert für den Mittelwert zu erhalten.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist für die Bildung der Differenz zwischen einem bestimmten der analogen Abtastwerte während einer Periode und dem bisher ermittelten Mittelwert vorgesehen, Differenzen zwischen einem Abtastwert und dem jeweils vorherigen Abtastwert für alle Abtastwerte der Periode bis zu dem bestimmten Abtastwert zu bilden und die Summe dieser Differenzen zu bilden, wobei für den ersten Abtastwert der Periode die Differenz zwischen diesem ersten Abtastwert und dem zuvor ermittelten Mittelwert gebildet wird.

Für diese Differenzbildung werden vorzugsweise die analogen Abtastwerte herangezogen, so dass lediglich die Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten bzw. zwischen einem Abtastwert und einem zuvor ermittelten Mittelwert für die weitere Verarbeitung einer AD-Wandlung unterzogen werden müssen. Diese Differenzen sind insbesondere bei periodischen Signalen mit einem großen Gleichanteil geringer als die abso luten Werte der Abtastwerte, so dass die Anforderungen an einen AD-Wandler entsprechend geringer sind.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens steht die Differenz zwischen einem der Abtastwerte und einem Mittelwert der vorherigen Periode bereits als digitaler Wert zur Verfügung. Die Wandlung analoger Abtastwerte, in diesem Fall der Differenzen zweier benachbarter Abtastwerte, ist zu den Verfahrensschritten verlagert, bei denen die Differenz zwischen einem bestimmten Abtastwert und dem zuvor ermittelten Mittelwert bestimmt wird.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
1 zeigt beispielhaft den Signalverlauf eines analogen periodischen Signals, eines Abtastzeitpunkte vorgebenden ersten Taktsignals und eines die Periodendauer anzeigenden zweiten Taktsignals.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bildung des Mittelwertes eines analogen periodischen Signals.
3 zeigt eine Vorrichtung gemäß 2 in Detaildarstellung.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bildung des Mittelwertes eines analogen periodischen Signals.
5 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß 4.
6 zeigt eine Vorrichtung gemäß den 4 und 5 in Detaildarstellung.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bildung des Mittelwertes eines analogen periodischen Signals.
8 zeigt die Vorrichtung gemäß 7 in Detaildarstellung.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Mittelwertbildungseinheit, die den Mittelwert eines Signals aus den Differenzen zwischen Abtastwerten und einem zuvor ermittelten Mittelwert bestimmt.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt beispielhaft die zeitlichen Verläufe eines periodischen Signals S(t), eines ersten Taktsignals CLK, das den Takt für das gleichmäßige Abtasten des periodischen Signals S(t) vorgibt, sowie eines zweiten Taktsignals, dessen Periodendauer der Periodendauer des periodischen Signals S(t) entspricht, und Abtastwerte S(k) des periodischen Signals S(t).
Die Periodendauer des Signals S(t), das einen von Null verschiedenen Gleichanteil aufweist, ist konstant, wobei sich der Mittelwert dieses Signals beispielsweise durch einen sich verändernden Gleichanteil mit der Zeit ändern kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung eines Wertes, der dem momentanen Mittelwert des periodischen Signals entspricht, sieht vor, Abtastwerte des periodischen Signals während einer Periode und den während der vorherigen Periode bzw. in anderer Weise zuvor ermittelten Mittelwert heranzuziehen, wobei zur Bildung des momentanen Mittelwertes jeweils die Differenz zwischen einem Abtastwert und dem zuvor ermittelten Mittelwert gebildet wird, die ermittelten Differenzen aufaddiert werden und die dadurch erhaltene Summe durch die Anzahl der Abtastwerte dividiert wird. Zu dem hierdurch erhaltenen Wert wird der bis dahin ermittelte Mittelwert addiert, um den neuen Mittelwert zu bilden. Für den Mittelwert M gilt also:
wobei M₀ im folgenden den bis zur vorherigen Periode ermittelten Mittelwert bezeichnet und S(i) für die Abtastwerte des periodischen Signals während einer Signalperiode steht. n ist die Anzahl der Abtastwerte pro Periode T, wobei in 1 beispielhaft n = 6 gilt. DS(i) bezeichnet im Folgenden die Differenz zwischen einem der Abtastwerte S(i) und dem zuvor ermittelten Mittelwert M₀. In 1 liegt eine betrachtete Periode der Dauer zwischen den Zeitpunkten t0 und t1, wobei M₀ der bis zum Zeitpunkt t0 ermittelte Mittelwert ist. DSM bezeichnet im Folgenden den Mittelwert dieser Differenzen DS(i) über eine Signalperiode.
Zur Ermittlung der Differenz zwischen einem bestimmten der Abtastwerte und dem Mittelwert M₀ ist bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die Differenzen zwischen den Abtastwerten und dem jeweils vorherigen Abtastwert für alle Abtastwerte ab dem zweiten Abtastwert der Periode bis zu dem bestimmten Abtastwert zu bilden und für den ersten Abtastwert der Periode die Differenz zwischen diesem ersten Abtastwert und dem für die vorherige Periode ermittelten Mittelwert M₀ zu bilden und diese Differenzen aufzuaddieren. Es gilt also:
wobei S(1) den ersten Abtastwert der Periode bezeichnet.
Die Abtastwerte S(j) liegen vorzugsweise in analoger Form vor, wobei nicht die Abtastwerte selbst, sondern die Differenz zweier Abtastwerte weiter verarbeitet wird. Diese Differenz zweier Abtastwerte ist bei einem periodischen Signal mit einem großen Gleichanteil kleiner als die Amplitude der Abtastwerte, so dass an einen Analog-Digital-Wandler für die Wandlung der Analogwerte in Digitalwerte geringere Anforderungen zu stellen sind.
Eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Mittelwertes M eines periodischen Signals S(t) unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand von 2 erläutert.
Die Vorrichtung umfasst einen Subtrahierer 10, dessen einem Eingang das analoge periodische Signal S(t) und dessen anderem Eingang ein Mittelwertsignal M₀ zugeführt ist, das am Ausgang einer Speicheranordnung 50, insbesondere eines Registers, am Ausgang der Vorrichtung zur Verfügung steht. Dieses Mittelwertsignal M₀ bleibt jeweils für eine Signalperiode konstant und wird am Ende einer Periode aktualisiert. Die Information über die Periodendauer des Signals S(t) ist in der Schaltung in dem Signal CLKP enthalten.
Dem Subtrahierer 10 ist eine Abtasteinheit 20 nachgeschaltet, die das analoge Differenzsignal S(t) – M₀ im Takt des Taktsignals CLK abtastet, um Abtastwerte S(i) – M₀ des analogen Differenzsignals bereitzustellen. Die Abtasteinheit 20 umfasst vorzugsweise einen Analog-Digital-Wandler der die Abtastwerte analog-digital-wandelt, so dass digitalisierte Abtastwerte S(i) – M₀ am Ausgang der Abtasteinheit 20 zur Verfügung stehen.
Diese Abtastwerte DS(i) = S(i) – M₀ sind als Signal S20 neben dem die für die vorherige Periode ermittelten Mittelwert M₀ einer Mittelwertbildungseinheit 30 zugeführt, die aus den Abtastwerten des analogen Differenzsignals S(t) – M₀ einer Periode den oben erläuterten Mittelwert DSM bestimmt und diesen Mit telwert zu dem am Ausgang anliegenden bisherigen Mittelwert M₀ addiert, der dieser Mittelwertbildungseinheit 30 ebenfalls zugeführt ist, um einen aktualisierten Mittelwert bereitzustellen. Die Information bezüglich des Beginns einer neuen Periode ist der Mittelwertbildungseinheit 30 über das zweite Taktsignal CLKP zugeführt.
In dem dargestellten Beispiel gibt die Mittelwertbildungseinheit 30 nicht nur den zu berechnenden Mittelwert sondern auch Zwischenwerte in Form des Signals S30 aus. Dieser Einheit 30 ist ein Gatter 40 nachgeschaltet, das durch das zweite Taktsignal CLKP angesteuert ist und das nur am Ende einer Signalperiode den durch die Mittelwertbildungseinheit 30 gelieferten Wert, der dann dem Mittelwert M entspricht, an den Speicher 50 passieren lässt. Der Mittelwert wird im Speicher gespeichert, wobei dieser gespeicherte Wert während der nächsten Signalperiode als Mittelwert M₀ zur Ermittlung des nächsten Mittelwertes M dient.
Die Mittelwertbildungseinheit 30 kann auch dazu ausgebildet sein, nur am Ende der Signalperiode T einen dem Mittelwert M entsprechenden Wert bereitzustellen, so dass auf das Gatter 40 verzichtet werden kann.
Des weiteren kann der Speicher 50 als Register ausgebildet sein, das im Takt des zweiten Taktsignals CLKP geladen wird, wodurch ebenfalls auf das Gatter 40 verzichtet werden kann.
3 zeigt ein Realisierungsbeispiel für eine in 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung.
Der Subtrahierer 10 ist bei diesem Beispiel dazu ausgebildet, das Vorzeichen sgn und den Betrag des Differenzsignals S(t) – M₀ auszugeben. Dem Ausgang, an dem der Betrag der Differenz zur Verfügung steht, ist eine als Analog-Digital-Wandler ausgebildete Wandlereinheit 20 nachgeschaltet, die das Differenzsignal abtastet und die ein abgetastetes und digitali siertes Differenzsignal an die Mittelwertbildungseinheit 30 liefert, der auch das Vorzeichensignal sgn zugeführt ist.
Die Mittelwertbildungseinheit 30 umfasst einen durch das erste Taktsignal CLK getakteten ersten Addierer 31, ein dem Addierer 31 nachgeschaltetes Register 32, welches durch das zweite Taktsignal CLKP jeweils zurückgesetzt wird, einen dem Register 32 nachgeschalteten Dividierer 33 sowie einen dem Dividierer 33 nachgeschalteten zweiten Addierer 34. Dem ersten Addierer 31 ist neben dem Taktsignal CLK, dem Vorzeichensignal sgn und dem Betrag des abgetasteten Differenzsignals DS(i) ein Ausgangssignal S32 des Registers 32 zugeführt, wobei der erste Addierer 31 mit jedem Takt des Taktsignals CLK das Ausgangssignal S32 des Registers zu dem gerade anliegenden Differenzsignal DS(i) addiert und dieses Additionssignal an seinem Ausgang OUT zur Verfügung stellt. Das Ausgangssignal S32 des Registers zu Beginn einer Taktperiode ist 0, wobei der Ausgangswert S32 des Registers mit jedem Takt des ersten Taktsignals CLK um den Wert des gerade anliegenden Differenzsignals DS(i) erhöht wird, wobei am Ende der Taktperiode das Register 32 wieder zurückgesetzt und damit dessen Ausgangswert S32 auf 0 gesetzt wird.
Nach dem letzten Differenzsignal einer Abtastperiode des Signals S(t) steht am Ausgang des Registers ein Signal zur Verfügung, welches der Summe aller Differenzsignale DS(i) einer Abtastperiode entspricht. Das am Ausgang des Registers anliegende Signal ist dem Dividierer 33 zugeführt, der dieses Signal S32 durch einen Wert dividiert, der der Anzahl der Abtastwerte des Differenzsignals pro Signalperiode T entspricht. Nach dem letzten Abtastwert der Abtastperiode, der in dem Beispiel gemäß 1 dem Wert S(6) entspricht, steht am Ausgang des Dividierers 33 der Mittelwert DSM der Abtastwerte des Differenzsignals zur Verfügung. Dieser Mittelwert ist einem ersten Eingang des zweiten Addierers 34 zugeführt, dessen anderem Eingang der bisherige Mittelwert M₀ zugeführt ist, wobei der Addierer 34 durch das zweite Taktsignal CLKP getaktet ist und somit jeweils am Ende einer Abtastperiode den Mittelwert DSM der Abtastwerte des Differenzsignals DS(i) zu dem bisherigen Mittelwert M₀ addiert. Das Ausgangssignal dieses Addierers 34 ist der Speichereinheit 50 zugeführt.
Die Verarbeitung in der Mittelwertbildungseinheit 30 erfolgt ausschließlich mit digitalen Signalverarbeitungseinheiten. Das Mittelwertsignal M₀ am Ausgang der Speichereinheit 50 steht ebenfalls digital zur Verfügung, um von dort weiteren digitalen Schaltungseinheiten zugeführt werden zu können. In den Rückkopplungskreis von der Speichereinheit 50 an den Subtrahierer 10 ist in dem Beispiel ein Digital-Analog-Wandler 60 geschaltet, der das digitale Mittelwertsignal M₀ digital-analog-wandelt, um ein daraus resultierendes Analogsignal dem analogen Subtrahierer 10 zuzuführen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Differenz DS(i) zwischen einem momentanen Abtastwert S(i) und dem Mittelwert M₀ der vorherigen Periode aus der Summe der Differenzen zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte und dem Mittelwert M₀ der vorherigen Periode ermittelt wird.
Zur Bereitstellung des Wertes DS(i) ist eine Einrichtung 60 vorhanden, der das analoge Signal S(t) und das am Ausgang der Vorrichtung anliegende Mittelwertsignal M₀ zugeführt sind. Diese Einrichtung 60 umfasst ein Differenzglied 61, eine getaktete Abtast- und Summiereinheit 62 sowie eine getaktete Addiereinheit 63. Dem Differenzglied 61 ist das analoge Signal S(t) sowie ein Ausgangssignal S63 der getakteten Addiereinheit 63 zugeführt. Ein Ausgangssignal S61 des Differenzgliedes 61, das durch die Differenz des analogen Signals S(t) und des Signals S63 gebildet ist, ist der Abtast- und Summiereinheit 62 zugeführt. Die Abtast- und Summiereinheit tastet das Ausgangssignal S61 des Differenzgliedes 61 im Takt des Taktsignals CLK ab und summiert die während einer Abtastperiode erzeugten Abtastwerte auf. Die Abtast- und Summier einheit 62 wird am Ende einer Signalperiode jeweils im Takt des zweiten Taktsignals CLKP zurückgesetzt, wodurch ein Abtasten und Aufsummieren des Ausgangssignals S61 des Differenzgliedes 61 für die nächste Signalperiode beginnt.
Ein Ausgangssignal S62 der Abtast- und Summiereinheit 62 ist dem getakteten Addierer 63 zugeführt, der im Takt des ersten Taktsignals CLK das Ausgangssignal S62 der Abtast- und Summiereinheit und den Mittelwert M₀ der vorherigen Abtastperiode addiert.
Das Ausgangssignal S62 der Abtast- und Addiereinheit 62 entspricht im Takt des ersten Taktsignals CLK der Differenz zwischen einem momentanen Abtastwert S(i) des Signals S(t) und dem Mittelwertsignal, d.h. S62 = DS(i) = S(i) – M0, (3)wie im folgenden erläutert wird.
Wird die Abtast- und Summiereinheit 62 nach dem letzten Taktimpuls einer Abtastperiode zurückgesetzt, so liegt bis zum ersten Taktimpuls der nächsten Abtastperiode als Ausgangssignal S62 ein Signal an, das Null entspricht, wodurch mit dem nächsten Takt des Taktsignals CLK der Wert M₀ am Ausgang der getakteten Summiereinheit 63 anliegt. Unter der Annahme, dass die Abtast- und Summiereinheit 62 etwas verzögert zu der Summiereinheit 63 das Ausgangssignal S62 des Differenzgliedes 61 abtastet und aufsummiert, liegt am Ausgang der Abtast- und Addiereinheit nach dem ersten Taktimpuls des ersten Taktsignals CLK während einer Abtastperiode der Wert S(1) – M₀ an, wobei S(1) den ersten Abtastwert der Abtastperiode bezeichnet. Mit dem nächsten Taktimpuls liegt am Ausgang der Summiereinheit der Wert S(1) = S(1) – M₀ + M₀ = DS(1) + M₀ an, der in dem Differenzglied 61 von dem Analogsignal S(t) subtrahiert wird, so dass in der Abtast- und Summiereinheit 62 die _Differenz aus dem nächsten Abtastwert S(2) und dem durch das Ad dierglied bereitgestellten vorherigen Abtastwert S(1) addiert wird. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zum letzten Taktimpuls einer Abtastperiode, wobei dann die Differenz S(n) – S(n – 1) zu dem in der Abtast- und Summiereinheit 62 bis dahin aufsummierten Wert hinzuaddiert wird.
Das Abtasten und Aufsummieren in der Abtast- und Summiereinheit 62 erfolgt zeitlich geringfügig versetzt zu dem Bereitstellen eines Ausgangswertes am Ausgang der getakteten Summiereinheit 63, wozu beispielsweise ein Verzögerungsglied in der Abtast- und Summiereinheit 62 vorgesehen ist. Die dadurch eingeführte Verzögerungszeit ist geringer als eine Taktperiode des ersten Taktsignals CLK. Alternativ besteht die Möglichkeit, das Ausgangssignal der Summiereinheit 63 mit einer steigenden Flanke des Taktsignals CLK bereitzustellen und die Abtast- und Summiereinheit 62 mit der fallenden Flanke dieses Taktsignals CLK anzusteuern.
Am Ausgang der Einheit 60 steht somit im Takt des Taktsignals das Signal DS(i) = S(i) – M₀ zur Verfügung, das durch Aufsummieren der Differenzen S(i) – S(i – 1) jeweils zweier benachbarter Abtastwerte gebildet wird, wobei von dem ersten Abtastwert S(1) der Mittelwert M₀ der vorherigen Abtastperiode subtrahiert wird.
Eine Mittelwertbildungseinheit 30, die beispielsweise entsprechend der anhand der 2 und 3 erläuterten Mittelwertbildungseinheit aufgebaut sein kann, ermittelt den Mittelwert aller Werte DS(i) einer Abtastperiode und addiert hierzu den Mittelwert M₀ der vorherigen Abtastperiode. Das Ergebnis der Mittelwertbildung wird im Takt des zweiten Taktsignals CLKP in den nachgeschalteten Speicher 50 eingelesen und steht für die folgende Abtastperiode als neues Mittelwertsignal zur Verfügung.
5 zeigt eine Mittelwertermittlungsvorrichtung gemäß 4, wobei in 5 die Abtast- und Summiereinheit 62 de taillierter dargestellt und der Mittelwertbildungseinheit 30 eine abgewandelte Speicheranordnung nachgeschaltet ist.
Die Abtast- und Summiereinheit 62 gemäß 5 umfasst ein Abtastglied 621, das das Ausgangssignal S61 des Differenzgliedes 61 im Takt des ersten Taktsignals CLK abtastet und ein daraus resultierendes Abtastsignal S621 einer Summiereinheit zuführt, die Abtastwerte des Abtastsignals S621, die während einer Abtastperiode erzeugt werden, aufsummiert und die am Ende einer Abtastperiode durch das zweite Taktsignal CLKP zurückgesetzt wird. Die Summiereinheit 622 arbeitet geringfügig zeitverzögert zu der Abtasteinheit 621, um die durch die Abtasteinheit 621 im Takt des ersten Taktsignals bereitgestellten Abtastwerte sicher aufzusummieren.
Während bei der Anordnung gemäß 4 der Speicher 50 durch das zweite Taktsignal CLKP getaktet ist, um einmal pro Abtastperiode den durch die Mittelwertbildungseinheit 30 gebildeten Mittelwert zu speichern, ist bei der Anordnung gemäß 5 dem Speicher 50 ein Gatter 40 vorgeschaltet, das angesteuert durch das zweite Taktsignal CLKP nur einmal pro Taktperiode ein durch die Mittelwertbildungseinheit gebildetes Mittelwertsignal zur Abspeicherung in dem Speicher passieren lässt.
6 zeigt eine Vorrichtung gemäß 4, wobei die Mittelwertbildungseinheit 30 und der getaktete Addierer 63 im Detail dargestellt ist.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Mittelwertbildungseinheit 30, die aus dem Ausgangssignal der Abtast- und Summiereinheit 62 ein in dem Speicher 50 gespeichertes Mittelwertsignal bereitstellt, entspricht dem Aufbau und der Funktionsweise der Mittelwertbildungseinheit 30 in 2, auf deren Beschreibung Bezug genommen wird. Die Einheit 30 umfasst einen Addierer 31, der mit jedem Takt des ersten Taktsignals CLK den Wert des Signals S62 zu dem Wert des Ausgangssignals S32 des dem Addierer nachgeschalteten Registers 32 addiert. Das Register 32 speichert den jeweiligen Ausgangssignalwert des Addierers, so dass der Registerinhalt stets der Summe der bisherigen Signalwerte DS(i) = S(i) – M₀ entspricht, wobei das Register 32 durch das zweite Taktsignal CLKP zurückgesetzt wird. Der Registerwert S32 wird mittels eines Dividierers 33 durch n, der Anzahl der Abtastwerte pro Signalperiode, dividiert, wobei der hierdurch erhaltene Wert mit jedem Taktimpuls des zweiten Taktsignals CLKP durch den Addierer 34 zu dem bisherigen Mittelwert M₀ addiert und in dem nachgeschalteten Speicher 50 gespeichert wird, um während der nächsten Signalperiode als Mittelwertsignal zur Verfügung zu stehen.
Die getaktete Summiereinheit 63 umfasst einen Addierer 631, ein dem Addierer nachgeschaltetes Register 632, in dem im Takt des ersten Taktsignals CLK die Addierausgangswerte S631 gespeichert werden, und einen Digital-Analog-Wandler 633, der die digitalisierten Signalwerte in ein Analogsignal wandelt, das dem Differenzglied 61 zugeführt ist.
7 zeigt eine Abwandlung der in 5 dargestellten Anordnung zur Mittelwertbildung. Bei dieser Anordnung wird das Ausgangssignal S621 des Abtastgliedes 621, welches der Differenz D(i) = S(i) – S(i – 1) zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte bzw. der Differenz des ersten Abtastwertes S(1) und des Mittelwertes M₀ entspricht, einer Einheit 64 zugeführt ist, der das Mittelwertsignal zugeführt ist und die im Takt des ersten Taktsignals den um einen Taktimpuls verzögerten Abtastwert S(i – 1), bzw. für den ersten Abtastimpuls einer Abtastperiode das Mittelwertsignal, bereitstellt. Die Einheit 64 gibt beim ersten Taktimpuls einer Abtastperiode das Mittelwertsignal M₀ als Ausgangssignal S64 ab und gibt für alle weiteren Taktimpulse des Taktsignals CLK während einer Abtastperiode die Summe aus dem Ausgangssignal S64 und dem Eingangssignal weiter-, so dass am Ausgang der Einheit 64 jeweils der um eine Taktperiode verzögerte Abtastwert S(i – 1) anliegt. Die am Ausgang des Abtastgliedes 621 anliegenden Differenzen werden durch den Summierer 622 aufaddiert, so dass am Ausgang des Summierers 622 jeweils Werte DS(i) anliegen, die der Differenz aus einem Abtastwert S(i) und dem Mittelwert M₀ entsprechen. Aus diesen Differenzen wird durch die nachgeschaltete Mittelwertbildungseinheit 30 in der bereits erläuterten Weise der Mittelwert ermittelt und nach Maßgabe des zweiten Taktsignals CLKP in dem Speicher 50 abgelegt.
8 zeigt eine Vorrichtung gemäß 7 mit einem im Detail dargestellten Differenzglied 61, einer im Detail dargestellten Einheit 64 sowie einer im Detail dargestellten Summiereinheit 622. Das Differenzglied 61 stellt die Differenzsignale D(i) getrennt nach Betrag und Vorzeichen zur Verfügung. Diese Signale sind der Einheit 64 zugeführt.
Die Einheit 64 umfasst einen Addierer 641, der das jeweilige Differentsignal D(i) zu dem am Ausgang der Einheit 64 anliegenden Signal S(i – 1) addiert. Ein Ausgangssignal des Addierers 641 ist einem Multiplexer 642 zugeführt, der nach Maßgabe des zweiten Taktsignals CLKP dieses Addiererausgangssignals S641 oder das Mittelwertsignal M₀ passieren lässt. Das Ausgangssignal des Multiplexers ist einem Register 643 zugeführt, indem der jeweilige Multiplexerausgangswert zwischengespeichert wird, wobei diesem Register ein Digital-Analog-Wandler 644 nachgeschaltet ist, so dass am Eingang des Differenzglieds 61 analoge Signale anliegen. Die Einheit 64 stellt mit jedem Taktimpuls des zweiten Taktsignals CLKP das Mittelwertsignal M₀ am Ausgang zur Verfügung. Im Übrigen wird mit jedem Taktimpuls des Taktsignals CLK die Summe aus dem aktuellen Ausgangssignalwert der Einheit 64 und dem momentanen Differenzsignal D(1) am Ausgang zur Verfügung gestellt.
Die Summiereinheit 622 umfasst in dem Ausführungsbeispiel einen Addierer 622A mit einem nachgeschalteten Register 622B, wobei der Ausgang des Registers auf einen der Eingänge des Addierers 622A zurückgekoppelt ist. Mit jedem Takt des ersten Taktsignals CLK addiert der Addierer 622A das momentan an seinem Eingang anliegende Differenzsignal D(i) zu dem momentanen Registerwert, wobei das Register 622B mit jedem Taktimpuls des zweiten Taktsignals CLKP zurückgesetzt wird. Am Ausgang des Registers 622B steht damit stets die Differenz zwischen dem momentanen Abtastsignalwert S(i) und dem bisherigen Mittelwertsignal M₀ an. Aus diesen Werten wird in bereits erläuterter Weise durch die Mittelwertbildungseinheit 30, der Mittelwert gebildet, und am Abschluss einer jeden Abtastperiode über das Gatter 40 dem Speicher 50 zugeführt.
9 zeigt eine alternative Mittelwertbildungseinheit 70, die anstelle der bisher erläuterten Mittelwertbildungseinheit verwendet werden kann. Diese Mittelwertbildungseinheit bildet aus den Differenzsignalen DS(i) einer Abtastperiode den momentanen Mittelwert dieser Abtastperiode. Die Einheit 70 umfasst einen Dividierer 71, der die Eingangssignale DS(i) jeweils durch den Wert n teilt, wobei n die Anzahl der Abtastwerte pro Abtastperiode repräsentiert. Dem Dividierer 71 ist ein Addierer 72 nachgeschaltet, der die dividierten Eingangsignalwerte zu einem Signalwert eines dem Addierer 72 nachgeschalteten Registers 73 addiert. Am Ausgang dieses Registers 73 steht am Ende einer Abtastperiode der neue Mittelwert zur Verfügung, der mit einem Taktimpuls des zweiten Taktsignals CLKP einem Ausgangsregister 74 zugeführt wird, an dessen Ausgang er für die nachfolgende Abtastperiode zur Verfügung steht.
Selbstverständlich kann bei allen der zuvor erläuterten Vorrichtungen zur Bildung des Mittelwertes eines analogen periodischen Signals eine Filterfunktion dadurch erreicht werden, dass die Subtrahiereinheiten am Eingang der Vorrichtung die ermittelte Differenz gewichten un beispielsweise nur 90% der ermittelten Differenz ausgeben. Eine solche Filterfunktion kann auch dadurch erreicht werden, dass bei der Bildung des Mittelwertes aus den Differenzen DS(i) mittels des jeweiligen Dividierers durch eine größere Zahl als n dividiert wird. Durch eine solche Gewichtung mit einem Gewichtungsfaktor kleiner Eins lassen sich "Überschwinger" durch Nichtlinearitäten oder Fertigungstoleranzen der Subtrahierer oder Differenzglieder verhindern.
Die Eingangsstufe der Vorrichtung kann neben den erläuterten Subtrahierern oder Differenzgliedern auch durch Differenzverstärker gebildet werden, wobei den dadurch erhaltenen Differenzsignalen hierbei ein Offset hinzugefügt wird, der bei der nachfolgenden digitalen Verarbeitung berücksichtigt wird.
Um eine ausreichende Stabilität des Systems zu gewährleisten, sind die getakteten Systemeinheiten vorzugsweise sowohl mit der steigenden als auch mit der fallenden Flanke des ersten Taktsignals angesteuert, d.h. Daten werden beispielsweise mit der steigenden Flanke eingelesen und mit der fallenden Flanke dieses Signals weiter verarbeitet.

Claims

Verfahren zur Bildung des momentanen Mittelwertes eines periodischen Signals (S(t)), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Ermitteln von Differenzwerten (DS(i)), die jeweils der Differenz zwischen einem Abtastwert (S(i)) des periodischen Signals (S(t)) innerhalb einer Periode und einem für die vorherige Periode ermittelten Mittelwert (M₀) entsprechen, – Bilden des Mittelwertes der Differenzwerte (DS(i)), – Addieren des Mittelwertes (DSM) der Differenzwerte (DS(i)) zu dem für die vorherige Periode ermittelten Mittelwert (M₀), um den momentanen Mittelwert zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Ermittlung der Differenzwerte ein analoges Differenzsignal gebildet wird, das der Differenz aus dem periodischen Signal (S(t)) und dem für die vorherige Periode ermittelten Mittelwert (M₀) entspricht, und bei dem das Differenzsignal abgetastet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die durch das Abtasten erhaltenen Werte einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verfahren zur Bildung der Differenz eines bestimmten Abtastwertes (S(i)) mit dem für die vorhergehende Periode ermittelten Mittelwert (M₀) folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bilden von Differenzwerten, die jeweils der Differenz zwischen einem Abtastwert und dem jeweils vorherigen Abtastwert (S(j)) entsprechen, für alle Abtastwerte bis zu dem bestimmten Abtastwert, wobei für den ersten Abtastwert (S(1)) der Periode die Differenz zwischen diesem ersten Abtastwert (S(1)) und einem für die vorherige Periode ermittelten Mittelwert (M₀) gebildet wird, – Bilden der Summe der Differenzwerte.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem für die Bildung der Differenzwerte jeweils die Differenz zwischen dem periodischen Signal (S(t)) und dem jeweils vorherigen Abtastwert gebildet und ein daraus resultierendes Differenzsignal abgetastet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die durch das Abtasten erhaltenen Werte einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen werden.
Vorrichtung zur Ermittlung des momentanen Mittelwertes eines periodischen Signals, die folgende Merkmale aufweist: – eine Speichereinrichtung (50) zur Speicherung eines für die vorherige Periode ermittelten vorherigen Mittelwertes (M₀), – eine Differenzbildungseinheit (10, 20; 60), der der gespeicherte vorherige Mittelwert (M₀) und das periodische Signal (S(t)) zugeführt sind, und die ein getaktetes Differenzsignal bereitstellt, das Differenzwerte (DS(i)) umfasst, die der Differenz aus Abtastwerten (S(i)) des periodischen Signals (S(t)) und dem gespeicherten vorherigen Mittelwert (M₀) entsprechen, – eine Mittelwertbildungseinheit (30), der das Differenzsignal und der gespeicherte Mittelwert (M₀) zugeführt sind und die aus den Differenzwerten (DS(i)) einer Periode und dem gespeicherten vorherigen Mittelwert (M₀) den momentanen Mittelwert ermittelt und in der Speichereinheit (50) abspeichert.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Differenzbildungseinheit (10, 20) einen analogen Subtrahierer (10) und eine dem Subtrahierer (10) nachgeschaltete Abtasteinheit (20) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Abtasteinheit (20) einen Analog-Digital-Wandler umfasst, wobei am Ausgang der Abtasteinheit (20) digitalisierte Differenzwerte (DS(i)) anliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Differenzbildungseinheit (60) einen Subtrahierer (61), eine Abtast- und Summiereinheit (62; 621, 622) und eine Summiereinheit (63; 631, 632, 633) aufweist, wobei dem Subtrahierer (61) das periodische Signal (S(t)) und ein Ausgangssignal der Summiereinheit (63), der Abtast- und Summiereinheit (62) ein Ausgangssignal des Subtrahierers (61) und der Summiereinheit ein Ausgangssignal der Abtast- und Summiereinheit (62) und ein in der Speichereinheit (50) gespeicherter vorheriger Mittelwert (M₀) zugeführt ist.