DE19905271A1 - Device for measuring DC component of a periodic measurement signal has calibrating unit for determining DC offset with calibrating source to produce a periodic symmetrical calibrated signal - Google Patents
Device for measuring DC component of a periodic measurement signal has calibrating unit for determining DC offset with calibrating source to produce a periodic symmetrical calibrated signalInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messtechnik. Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des DC-Anteils einer periodischen Messgrösse gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9.The invention relates to the field of measurement technology. she relates to an apparatus and a method for Measurement of the DC component according to a periodic measurement the preamble of claims 1 and 9.
Eine derartige Vorrichtung zur Messung des DC-Anteils einer periodischen Messgrösse ist allgemein bekannt und wird beispielsweise in einem Gleichspannungswandler eingesetzt (Fig. 1). Ein solcher Wandler erzeugt aus einer ersten Gleichspannung P1 mit Hilfe eines Wechselrichters P2 eine Wechselspannung, mit der eine erste Wicklung P4 eines Transformators gespiesen wird. Dadurch wird in einer zweiten Wicklung PS des Transformators eine Wechselspannung induziert. Mittels eines Gleichrichters P6 wird aus dieser wieder eine zweite Gleichspannung P7 erzeugt. Such a device for measuring the DC component of a periodic measurement variable is generally known and is used, for example, in a DC converter ( FIG. 1). Such a converter generates an alternating voltage from a first direct voltage P1 with the aid of an inverter P2, with which a first winding P4 of a transformer is fed. As a result, an AC voltage is induced in a second winding PS of the transformer. A rectifier P6 is used to generate a second DC voltage P7 from it.
Für die Messung und Regelung des in der ersten Wicklung fliessenden Wechselstroms, seines Gleichstromanteils sowie für den Überstromschutz werden in der Regel analoge Schaltungen eingesetzt, die hardwaremässig der Anwendung angepasst werden müssen.For the measurement and control of the in the first winding flowing alternating current, its direct current component and for Overcurrent protection is usually analog circuits used, which are adapted to the application in terms of hardware have to.
Der in der ersten Wicklung fliessende Wechselstrom hat idealerweise einen Gleichstromanteil, oder DC-Anteil, von null. Falls der DC-Anteil nicht null ist, erhält auch die Magnetisierung des Transformatorkerns mit der Zeit einen von Null verschiedenen Mittelwert. Die dem Mittelwert überlagerte wechselnde Magnetisierung treibt den Transformator in die Sättigung, wodurch sich die Effizienz der Wandlung verringert. Um dem Gleichanteil der Magnetisierung entgegenzuwirken kann der DC-Anteil des Wechselstroms gemessen und durch Anpassung der Taktung des Wechselrichters auf null geregelt werden. Mit einer solchen Regelung können leichtere, kleinere und dadurch kostengünstigere Transformatoren eingesetzt werden. Eine solche Regelung wird wegen der Kosten für die Messung des DC- Anteils nur bei Anlagen mit Leistungen im Megawattbereich eingesetzt.The alternating current flowing in the first winding has ideally a DC component, or DC component, of zero. If the DC component is not zero, it also receives Magnetization of the transformer core over time Zero different mean. The one superimposed on the mean changing magnetization drives the transformer into the Saturation, which reduces the efficiency of the conversion. To counteract the direct part of the magnetization the DC portion of the alternating current is measured and adjusted the clocking of the inverter can be regulated to zero. With Such a scheme can be lighter, smaller and thereby cheaper transformers are used. A such regulation is because of the cost of measuring the DC Partly only for systems with outputs in the megawatt range used.
Es ist bekannt, diese Messung des DC-Anteils des
Wechselstroms, im folgenden DC-Messung genannt, mit digitalen
Elementen durchzuführen. Die Messung geschieht zum Beispiel
(Fig. 2), indem der Wechselstrom durch einen Messwandler
erfasst wird. Ein zum Momentanwert des Stromes proportionales
Signal S wird durch einen AD-Wandler mit Abtastzeit T
abgetastet und die Messwerte während einer Periode Ts des
Wechselstroms durch einen Summierer zur Summe
It is known to carry out this measurement of the DC component of the alternating current, hereinafter referred to as DC measurement, with digital elements. The measurement takes place, for example ( FIG. 2), in that the alternating current is detected by a measuring transformer. A signal S proportional to the instantaneous value of the current is sampled by an AD converter with sampling time T and the measured values during a period Ts of the alternating current are summed up by a summer
summiert. Mehrere Messperioden Ts sind jeweils um einen oder mehrere Abtastschritte oder zum Beispiel um eine ganze Messperiode Ts gegeneinander verschoben. Die Summe DC ist proportional zum DC-Anteil des Wechselstroms. Die Auflösung der DC-Messung ist umso höher, je mehr Abtastungen pro Periode stattfinden.summed up. Several measuring periods Ts are each one or several scanning steps or, for example, an entire Measuring period Ts shifted against each other. The sum is DC proportional to the DC component of the alternating current. The resolution the dc measurement is higher the more samples per period occur.
Die absolute Genauigkeit der DC-Messung wird jedoch durch den DC-Offset des AD-Wandlers begrenzt. Um diesen Offset zu bestimmen, wird üblicherweise der Eingang des AD-Wandlers auf null gelegt. Der Ausgangswert des AD-Wandlers entspricht dann seinem DC-Offset.However, the absolute accuracy of the DC measurement is determined by the Limited DC offset of the AD converter. To this offset too usually determine the input of the AD converter laid zero. The output value of the AD converter then corresponds its DC offset.
Dieses Verfahren ist dadurch begrenzt, dass die Auflösung der Messung des DC-Offsets gleich der Auflösung des AD-Wandlers ist. Aus diesem Grund müssten hochauflösende AD-Wandler einge setzt werden. Wegen den damit verbundenen Kosten wird die Regelung des Gleichstromanteils nur bei Wandlern im Megawatt bereich und in der Regel mit analogen Messeinrichtungen eingesetzt.This procedure is limited in that the resolution of the Measurement of the DC offset equal to the resolution of the AD converter is. For this reason, high-resolution AD converters should be used be set. Because of the costs involved, the Regulation of the direct current component only for converters in the megawatt range and usually with analog measuring devices used.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des DC-Anteils eines AD-Wandlers der eingangs genannten Art zu schaffen, welche erlauben, den DC- Offset des AD-Wandlers mit höherer Auflösung als der Auflösung des AD-Wandlers selber zu bestimmen.It is therefore an object of the invention, a device and a Method for measuring the DC component of an AD converter to create the type mentioned above, which allow the DC Offset of the AD converter with higher resolution than the resolution the AD converter itself.
Diese Aufgabe lösen eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Messverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 9.This task is solved by a measuring device with the features of Claim 1 and a measuring method with the features of Claim 9.
Die erfindungsgemässe Messvorrichtung weist eine Kalibrier einheit auf, die wiederum eine Kalibrierquelle und einen Kalibrierauswerter aufweist. Zur Kalibrierung erzeugt die Kalibrierquelle ein periodisches, im wesentlichen dreieckför miges Kalibriersignal mit einem DC-Anteil von null. Dieses Signal wird als einziges auf den Eingang eines AD-Wandlers geführt. Die Ausgangswerte des AD-Wandlers werden während einer Zeitdauer L durch einen Kalibriersummierer zu einem Wert Σ aufsummiert. Die Zeitdauer L ist ein ganzzahliges Vielfaches der Periode Tc des Kalibriersignals, also L = k.Tc, mit k ganzzahlig und grösser als null. Es sei auch L = m.Ts, wobei m grösser als null und Ts die Periode des gemessenen Signals ist. Damit ist die Summe Σ proportional zum Offset des AD- Wandlers, und insbesondere ist der Quotient Σ/m gleich dem Offset des Wertes DC am Ausgang des Summierers.The measuring device according to the invention has a calibration unit, which in turn is a calibration source and a Has calibration evaluator. For calibration, the Calibration source is a periodic, essentially triangular moderate calibration signal with a DC component of zero. This Signal is the only one on the input of an AD converter guided. The output values of the AD converter are during a time period L through a calibration summer to a value Σ added up. The time period L is an integer multiple the period Tc of the calibration signal, i.e. L = k.Tc, with k integer and greater than zero. Let L = m.Ts, where m greater than zero and Ts the period of the measured signal is. The sum Σ is therefore proportional to the offset of the AD Converter, and in particular the quotient Σ / m is equal to that Offset of the value DC at the output of the totalizer.
Die erfindungsgemässe Kalibriereinheit hat den Vorteil, dass der damit bestimmte DC-Offset bei genügend kleiner Abtastzeit T kleiner wird als die Auflösung des ganzen AD-Wandlers und auch kleiner als ein Quantisierungsschritt des AD-Wandlers. Dadurch wird der Einsatz eines kostengünstigen niedrigauflösenden aber schnellen AD-Wandlers ermöglicht.The calibration unit according to the invention has the advantage that the DC offset thus determined with a sufficiently short sampling time T becomes smaller than the resolution of the entire AD converter and also smaller than a quantization step of the AD converter. This makes the use of an inexpensive low-resolution but fast AD converter enables.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstan des weist die Kalibrierquelle einen Rechtecksignalgenerator auf, dessen Ausgangssignal über ein Tiefpassfilter und einen Koppelkondensator auf den Eingang des AD-Wandlers gekoppelt wird. Die Zeitkonstante des Tiefpassfilters ist ausreichend gross dimensioniert, so dass sein Ausgangssignal im Wesentlichen aus linear steigenden und fallenden Segmenten besteht. Durch den Koppelkondensator wird ein allfälliger DC- Anteil des Kalibriersignals eliminiert.In a preferred embodiment of the subject of the invention the calibration source has a square wave signal generator on, whose output signal via a low-pass filter and a Coupling capacitor coupled to the input of the AD converter becomes. The time constant of the low pass filter is sufficient large dimensioned so that its output signal in Essentially from linearly rising and falling segments consists. The coupling capacitor will remove any DC Part of the calibration signal eliminated.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungs gegenstandes ist m ganzzahlig und insbesonders eine Zweier potenz, so dass sich die Division eines Wertes durch m durch eine Rechtsverschiebung seiner Binärrepräsentation bewirken lässt.In a further preferred embodiment of the invention object is m integer and especially a two potential, so that the division of a value by m cause its binary representation to shift to the right leaves.
Die erfindungsgemässe Messeinrichtung lässt sich, da sie über einen schnellen AD-Wandler verfügt, auch in Regel- und Schutzeinrichtungen für die Messgrösse selber, das heisst nicht nur für ihren DC-Anteil, verwenden. Dazu wird ein Ausgang des AD-Wandlers auf einen Eingang eines Regelers und/oder eines Schwellwertdetektors geführt. Durch diese werden die durch den AD-Wandler gemessenen Werte auch zur Regelung der Messgrösse und/oder, zum Beispiel für Schutzanwendungen, zur Detektion des Über- oder Unter schreitens von vorgegebenen Grenzwerten verwendet. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass alle diese Funktionen, mit Ausnahme des einfachen Tiefpassfilters, in einem einzigen digitalen Baustein implementierbar sind. Sie lassen sich dadurch - im Gegensatz zu einer analogen Implementation - auf einfache Weise parametrisieren und an eine gegebene Anwendung anpassen.The measuring device according to the invention can be used because has a fast AD converter, also in control and Protective devices for the measured variable itself, that is not only for their DC component. To do this, a Output of the AD converter to an input of a controller and / or a threshold detector. Through this the values measured by the AD converter also become Regulation of the measured variable and / or, for example for Protection applications, for the detection of the over or under exceeding predetermined limit values. On The main advantage of this embodiment is that all these functions, with the exception of the simple low pass filter, can be implemented in a single digital module. she can be - in contrast to an analog Implementation - easy parameterization and on customize a given application.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.Further preferred embodiments are given in the dependent ones Claims.
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand eines bevor zugten Ausführungsbeispiels, welches in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:In the following the subject matter of the invention is based on a before drafted embodiment, which in the accompanying Drawings is shown, explained in more detail. Show it:
Fig. 1 einen Gleichspannungswandler gemäss dem Stand der Technik; Figure 1 shows a DC-DC converter according to the prior art.
Fig. 2 einen Signalverlauf bei der Messung des DC-Anteils einer periodischen Messgrösse gemäss dem Stand der Technik;2 shows a waveform in the measurement of the DC component of a periodic measurement parameter according to the prior art.
Fig. 3 eine Vorrichtung zur Messung des DC-Anteils einer periodischen Messgrösse, mit einer erfindungs gemässen Kalibriereinheit; und Fig. 3 shows a device for measurement of the DC component of a periodic measurement variable, with a fiction, according to the calibration unit; and
Fig. 4 einen Signalverlauf bei der erfindungsgemässen Kalibrierung des DC-Offsets eines AD-Wandlers. Fig. 4 shows a waveform in the inventive calibration of the DC offset of an AD converter.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.The reference numerals used in the drawings and their Meaning are summarized in the list of reference symbols listed. Basically, the figures are the same Provide elements with the same reference numerals.
Die Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Messung des DC-Anteils 11 einer periodischen Messgrösse 1, zusammen mit einer erfindungsgemässen Kalibriereinheit 20. Die Messgrösse 1 kann zum Beispiel der Strom durch eine Wicklung P4 sein (Fig. 1), der durch einen Strommesswandler P3 erfasst wird. FIG. 3 shows a device for measurement of the DC component 11 of a periodic measurement Size 1, along with a novel calibration 20th The measured variable 1 can be, for example, the current through a winding P4 ( FIG. 1), which is detected by a current measuring transducer P3.
Die Vorrichtung zur Messung des DC-Anteils ist folgendermassen aufgebaut: Ein Ausgang eines Messwandlers 2 für die Messgrösse 1 wird, vorteilhafterweise über einen Koppelwiderstand R2, auf einen Eingang 5 eines AD-Wandlers 6 geführt. Ein Ausgang 7 des AD-Wandlers 6 führt in einen Summierer 8. Ein Ausgang 9 des Summierers 8 wird mit positivem Vorzeichen in einen Addierer 10 geführt, aus dem ein Ausgang 11 für den DC-Anteil führt.The device for measuring the DC component is constructed as follows: An output of a measuring transducer 2 for the measured variable 1 is led, advantageously via a coupling resistor R2, to an input 5 of an AD converter 6 . An output 7 of the AD converter 6 leads into a summer 8 . An output 9 of the summer 8 is led with a positive sign into an adder 10 , from which an output 11 leads for the DC component.
Die Vorrichtung zur Messung des DC-Anteils einer periodischen
Messgrösse 1 funktioniert wie folgt:
Die Messgrösse 1, zum Beispiel eine Spannung oder ein Strom,
wird durch den Messwandler 2 den Eingangscharakteristika des
AD-Wandlers angepasst. Dies geschieht zum Beispiel indem der
Messwandler 2 einen zur Messgrösse proportionalen Spannungs
wert zwischen -5 und +5 V bildet. Der Widerstand R2 dient bei
einem hochohmigen AD-Wandler 6 zur Abkopplung. Das Signal an
der Stelle 3 wird im folgenden als Messsignal 5 bezeichnet.The device for measuring the DC component of a periodic measured variable 1 works as follows:
The measurement variable 1 , for example a voltage or a current, is adapted by the measurement transformer 2 to the input characteristics of the AD converter. This is done, for example, by the transducer 2 forming a voltage value between -5 and +5 V proportional to the measured variable. The resistor R2 is used in a high-impedance AD converter 6 for decoupling. The signal at point 3 is referred to below as measurement signal 5 .
Durch den AD-Wandler 6 und den Summierer 8 geschieht die
Bildung des DC-Anteils (Fig. 2): Während einer oder mehreren
Perioden Ts des Messsignals 5 wird dieses im AD-Wandler 6 mit
einer Abtastzeit T n mal abgetastet und digitalisiert. Die
Summe DC dieser n Werte wird im Summierer 8 gebildet. Sie ist
proportional zum DC-Anteil des Messsignals S. Um den DC-Anteil
in der Masseinheit des Messsignals S zu erhalten, ist die
Summe DC durch die Anzahl n der Abtastungen zu teilen. Im
folgenden wird jedoch DC selber als Mass für den DC-Anteil
betrachtet. Es gilt also
The DC component is formed by the AD converter 6 and the summer 8 ( FIG. 2): during one or more periods Ts of the measurement signal 5 , this is sampled and digitized in the AD converter 6 with a sampling time T n times. The sum DC of these n values is formed in summer 8 . It is proportional to the DC component of the measurement signal S. In order to obtain the DC component in the unit of measurement of the measurement signal S, the sum DC must be divided by the number n of samples. In the following, however, DC itself is considered a measure of the DC component. So it applies
Es ist auch möglich, die Ausgangswerte des AD-Wandlers während eines ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer Ts zu summieren, ohne dass sich dadurch etwas am Prinzip der Erfindung ändert.It is also possible to check the output values of the AD converter during an integer multiple of the period Ts add up without affecting the principle of Invention changes.
Die Abtastzeit T wird vorteilhafterweise mit der Periodendauer Ts synchronisiert, so dass Ts ein ganzzahliges Vielfaches von T ist, und n = Ts/T ist. Dazu wird vorteilhafterweise ein Phase-Locked-Loop (PLL) Schaltkreis verwendet.The sampling time T is advantageously with the period Ts synchronized so that Ts is an integer multiple of T is and n = Ts / T. This is advantageously a Phase Locked Loop (PLL) circuit used.
Alternativ dazu kann die Abtastzeit T derart klein gewählt
werden, dass die Ungenauigkeit, hervorgerufen durch die
fehlende Synchronisation mit der Periode des Wechselstroms,
gegenüber den übrigen Ungenauigkeiten vernachlässigbar ist.
Es sei zum Beispiel der Verlauf eines Signals
Alternatively, the sampling time T can be chosen to be so short that the inaccuracy caused by the lack of synchronization with the period of the alternating current is negligible compared to the other inaccuracies. For example, it is the course of a signal
S(t) = sin(ωt)
S (t) = sin (ωt)
und somit die zeitliche Änderung des Signals
and thus the temporal change in the signal
und die maximale zeitliche Änderung des Signals
and the maximum change over time of the signal
Bei einem Signal mit der Frequenz f sowie bei einer Anzahl von
r Abtastungen des AD-Wandlers pro Sekunde wird die maximale
Änderung des Signals zwischen zwei Abtastungen
For a signal with frequency f and for a number of r samples of the AD converter per second, the maximum change in the signal between two samples
Für f = 50 und r = 30.10e6 resultiert dSmax = .1.05.10-5.For f = 50 and r = 30.10e6, dS max = .1.05.10 -5 results.
Im Falle einer solchen nicht synchronisierten Abtastung ist die Anzahl n der aufsummierten Ausgangswerte des AD-Wandlers gleich dem nächstkleineren ganzzahligen Wert zu n', wobei n' = Ts/T oder ein ganzzahliges Vielfaches von Ts/T ist.In the case of such unsynchronized sampling the number n of the total output values of the AD converter equal to the next smaller integer value to n ', where n' = Ts / T or an integer multiple of Ts / T.
Fig. 3 zeigt weiter eine erfindungsgemässe Kalibriereinheit 20. Sie weist eine Kalibrierquelle 21 auf, mit einem Ausgang 4, der auf den Eingang 5 des AD-Wandlers 6 führt. Der Ausgang 7 des AD-Wandlers 6 führt in einen Kalibrierauswerter 22. Der Kalibrierauswerter 22 weist einen Kalibriersummierer 14 und einen Dividierer 13 auf. Ein Ausgang 12 des Kalibrierauswer ters 22 ist mit negativem Vorzeichen in den Addierer 10 geführt. Fig. 3 further shows an inventive calibration 20th It has a calibration source 21 with an output 4 which leads to the input 5 of the AD converter 6 . The output 7 of the AD converter 6 leads to a calibration evaluator 22 . The calibration evaluator 22 has a calibration summer 14 and a divider 13 . An output 12 of the calibration evaluator 22 is fed into the adder 10 with a negative sign.
Die Kalibrierquelle 21 weist vorzugsweise einen Rechtecksig nalgenerator 15 auf, dessen Ausgangssignal über ein Tiefpass filter R1,C1 und einen Koppelkondensator C2 mit dem Ausgang 4 der Kalibrierquelle 21 verbunden ist.The calibration source 21 preferably has a rectangular signal generator 15 , the output signal of which is connected via a low-pass filter R1, C1 and a coupling capacitor C2 to the output 4 of the calibration source 21 .
Die Bestimmung eines DC-Offsets dDC, also die Kalibrierung des
DC-Anteils, geschieht folgendermassen:
Zur Kalibrierung des DC-Anteils wird das Messsignal S auf null
gesetzt. Dies kann zum Beispiel geschehen, indem der Messwand
ler 2 null ausgibt, oder indem sein Ausgang abgetrennt wird.
Weiter wird in der Kalibrierquelle durch den Rechtecksignal
generator 15, zum Beispiel ein Rechner oder ein spezieller
digitaler Schaltkreis, ein symmetrisches Rechtecksignal mit
einer Periodendauer Tc erzeugt. Dieses wird durch das
Tiefpassfilter R1,C1 gefiltert, so dass sich vorteilhafter
weise ein dreieckförmiges Signal ergibt. Diese Dreieckform
ergibt sich, wenn die Zeitkonstante des Tiefpassfilters, im
Verhältnis zur Periodendauer des Rechtecksignals, ausreichend
gross gewählt wird. Das dreieckförmige Signal wird über den
Koppelkondensator C2 auf den Eingang 5 des AD-Wandlers
geführt. Durch den Koppelkondensator C2 entsteht am Eingang 5
ein Kalibriersignal C mit einem DC-Anteil von null.A DC offset dDC, i.e. the calibration of the DC component, is determined as follows:
To calibrate the DC component, the measurement signal S is set to zero. This can be done, for example, by measuring transducer 2 outputting zero or by disconnecting its output. Furthermore, a symmetrical square-wave signal with a period Tc is generated in the calibration source by the square-wave signal generator 15 , for example a computer or a special digital circuit. This is filtered by the low-pass filter R1, C1, so that a triangular signal advantageously results. This triangular shape results if the time constant of the low-pass filter is chosen to be sufficiently large in relation to the period of the square-wave signal. The triangular signal is fed via the coupling capacitor C2 to the input 5 of the AD converter. The coupling capacitor C2 produces a calibration signal C with a DC component of zero at input 5 .
Fig. 4 zeigt einen typischen Verlauf des Kalibriersignales C
mit DC-Offset dDC und die daraus resultierenden Abtastwerte:
Das Kalibriersignal wird durch eine durchgezogene, dreieck
förmige Linie dargestellt. Die Schwellwerte der Quantisierung
des AD-Wandlers werden durch punktierte Linien dargestellt.
Die Ausgangswerte des AD-Wandlers entsprechen den kleinen
Kreisen. Die Bezeichnungen der Quantisierungsstufen sind links
von der senkrechten Achse angegeben. Fig. 4 shows a typical course of the calibration signal C and the DC offset dDC and the resulting samples:
The calibration signal is represented by a solid, triangular line. The threshold values of the quantization of the AD converter are represented by dotted lines. The output values of the AD converter correspond to the small circles. The names of the quantization levels are given to the left of the vertical axis.
Die Ausgangswerte des AD-Wandlers 6 werden während einer
Zeitdauer L durch einen Kalibriersummierer 14 zu einer Summe Σ
aufsummiert. Für die Zeitdauer L gilt L = m.Ts = k.Tc, wobei
Tc die Periode des Kalibriersignals und Ts die Periode der
Messgrösse ist, k ganzzahlig ist und m<0, k<0. Dadurch dass k
ganzzahlig ist, ist Σ proportional zum DC-Offset des AD-
Wandlers. Vorteilhafterweise ist m ganzzahlig und insbesondere
eine Zweierpotenz, also 2, 4, 8, 16, 32, . . . etc. Dadurch
vereinfacht sich die Division von Σ durch m in einem
Dividierer 13. Durch diese Division erhält der resultierende.
Quotient dDC = Σ/m die gleiche Skalierung wie der oben
eingeführte DC-Anteil DC. Es gilt also
The output values of the AD converter 6 are summed up to a sum Σ during a period L by a calibration summer 14 . For the period L, L = m.Ts = k.Tc, where Tc is the period of the calibration signal and Ts is the period of the measured variable, k is an integer and m <0, k <0. Because k is an integer, Σ is proportional to the DC offset of the AD converter. M is advantageously an integer and in particular a power of two, ie 2, 4, 8, 16, 32,. . . etc. This simplifies the division of Σ by m in a divider 13 . This division gives the resulting. Quotient dDC = Σ / m the same scaling as the DC component DC introduced above. So it applies
Die Anzahl der während der Zeitdauer L vorgenommenen Messungen p ist gleich dem Produkt n.m, falls die Abtastzeit T mit der Periodendauer Ts synchronisiert ist, und falls m ganzzahlig ist. Falls eine dieser zwei Bedingungen nicht erfüllt ist, so ist die Anzahl Messungen p gleich dem nächstkleineren ganzzahligen Wert zu p', wobei p' = m.Ts/T ist.The number of measurements taken during period L. p is equal to the product n.m if the sampling time T with the Period Ts is synchronized, and if m is an integer is. If one of these two conditions is not met, then the number of measurements p is equal to the next smallest integer value to p ', where p' = m.Ts / T.
In der obenstehenden Erklärung des Erfindungsgegenstandes wurde zuerst die Summation im Kalibriersummierer und anschliessend die Division im Dividierer gezeigt. Selbstver ständlich kann diese Folge umgekehrt werden. Ebenso können Normierungskoeffizienten in die Schaltung eingeführt werden, um zum Beispiel die Darstellung eines Signals in einer bestimmten Masseinheit zu bewirken, ohne dass sich dadurch etwas am Charakter der Erfindung ändert.In the above explanation of the subject matter of the invention was the summation in the calibration totalizer and then the division is shown in the divider. Self ver this sequence can of course be reversed. You can also Normalization coefficients are introduced into the circuit, for example to display a signal in a certain unit of measurement without affecting something changes the character of the invention.
Nachdem die Kalibrierung wie oben beschrieben durchgeführt worden ist, wird für den normalen Messbetrieb der am Ausgang 12 des Kalibrierauswerters 22 gebildete DC-Offset dDC konstant gehalten und von dem am Ausgang 9 des Summierers 8 gebildeten Wert DC subtrahiert, wodurch am Ausgang 11 der offsetfreie DC- Anteil erhalten wird. After the calibration has been carried out as described above, the DC offset dDC formed at the output 12 of the calibration evaluator 22 is kept constant for normal measurement operation and subtracted from the value DC formed at the output 9 of the summer 8 , whereby the offset-free DC at the output 11 - share is obtained.
Zusammenfassend ermöglichen die erfindungsgemässe Vorrichtung und Verfahren den Ersatz von hochauflösenden AD-Wandlern durch kostengünstigere niedrigauflösende mit hoher Abtastrate.In summary, the device according to the invention enables and method for the replacement of high-resolution AD converters less expensive low resolution with high sampling rate.
Neue CMOS AD-Konverter erlauben sehr schnelle Abtastraten, zum Beispiel 30 Mhz zu geringen Preisen, zum Beispiel 5 US$ für einen 8-Bit Konverter.New CMOS AD converters allow very fast sampling rates to Example 30 Mhz at low prices, for example 5 US $ for an 8-bit converter.
Beim Einsatz in einem Gleichpannungswandler ist der Ausgang des AD-Wandlers dank seiner hohen Abtastrate auch zur Stromregelung und zur Überstromdetektion einsetzbar. Damit werden alle diese Funktionen vorteilhafterweise auf einem einzigen digitalen Baustein oder Chip, zum Beispiel in CMOS- Bauweise implementiert. Als einzige analoge Elemente verbleiben R1, C1 des Tiefpassfilters, die nur ein einziges Mal entsprechend der Abtastrate des AD-Wandlers dimensioniert werden müssen, und der Koppelkondensator C2. Durch die niedrigen Kosten eines solchen Bausteins ist sein Einsatz auch bei niedrigeren Leistungen möglich, wodurch wiederum der Transformator besser genutzt werden kann. When used in a DC converter, the output is of the AD converter thanks to its high sampling rate Current control and can be used for overcurrent detection. In order to all these functions are advantageously on one single digital component or chip, for example in CMOS Construction implemented. As the only analog elements remain R1, C1 of the low pass filter, which is only a single one Times dimensioned according to the sampling rate of the AD converter must be, and the coupling capacitor C2. Through the Its use is also low in cost of such a module possible at lower powers, which in turn increases the Transformer can be used better.
P1 erste Gleichspannung
P2 Wechselrichter
P3 Strommesswandler
P4 erste Wicklung
P5 zweite Wicklung
P6 Gleichrichter
P7 zweite Gleichspannung
C Kalibriersignal
S Messsignal
T Abtastzeit des AD-Wandlers
Tc Periodendauer des Kalibriersignals
Ts Periodendauer des Messsignals
L Messdauer der Kalibrierung
dDC DC-Offset
R1 Widerstand
C1 Kondensator
R2 Koppelwiderstand
C2 Koppelkondensator
P1 first DC voltage
P2 inverter
P3 current transducer
P4 first winding
P5 second winding
P6 rectifier
P7 second DC voltage
C calibration signal
S measurement signal
T sampling time of the AD converter
Tc period of the calibration signal
Ts period of the measurement signal
L Measurement duration of the calibration
dDC DC offset
R1 resistance
C1 capacitor
R2 coupling resistance
C2 coupling capacitor
11
Messgrösse
Measurand
22nd
Messwandler
Transducer
33rd
das Messsignal führende Verbindung
the connection carrying the measurement signal
44th
Ausgang der Kalibrierquelle
Output of the calibration source
55
Eingang des AD-Wandlers
AD converter input
66
AD-Wandler
AD converter
77
Ausgang des AD-Wandlers
Output of the AD converter
88th
Summierer
Totalizer
99
Ausgang des Summierers
Output of the totalizer
1010th
Addierer
Adder
1111
Ausgang des Addierers
Output of the adder
1212th
Ausgang des Kalibrierauswerters
Output of the calibration evaluator
1313
Dividierer
Divider
1414
Kalibriersummierer
Calibration totalizer
1515
Rechtecksignalgenerator
Square wave generator
2020th
Kalibriervorrichtung
Calibration device
2121
Kalibrierquelle
Calibration source
2222
Kalibrierauswerter
Calibration evaluator
Claims (10)
einem AD-Wandler (6) mit einer Abtastzeit T zur Abtastung und Digitalisierung des Messsignals (S), und
einem Summierer (8) zur Bestimmung eines DC-Anteils (11) durch Summation von n aufeinanderfolgenden Ausgangswerten des AD-Wandlers (6), wobei
n der nächstkleinere ganzzahlige Wert zu n' ist, und n' = Ts/T oder ein ganzzahliges Vielfaches von Ts/T ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung eine Kalibriereinheit (20) zur Bestimmung eines DC-Offsets aufweist mit
einer Kalibrierquelle (21) zur Erzeugung eines periodischen symmetrischen Kalibriersignals mit einer Periode Tc, einem DC-Anteil von null und einer Länge von mindestens L, wobei L = m.Ts = k.Tc, k ganzzahlig, m<0, k<0, und
einem Kalibrierauswerter (22) zur Bestimmung des DC-Offsets als einen Quotienten Σ/m, wobei Σ die Summe von während m Perioden Ts aufeinanderfolgenden Ausgangswerten des AD- Wandlers (6) ist.1. Device for measuring a DC component of a periodic measurement signal (S) with a period Ts, consisting of
an AD converter ( 6 ) with a sampling time T for sampling and digitizing the measurement signal (S), and
a summer ( 8 ) for determining a DC component ( 11 ) by summing n successive output values of the AD converter ( 6 ), wherein
n is the next smaller integer value to n ', and n' = Ts / T or an integer multiple of Ts / T, characterized in that
the device has a calibration unit ( 20 ) for determining a DC offset
a calibration source ( 21 ) for generating a periodic symmetrical calibration signal with a period Tc, a DC component of zero and a length of at least L, where L = m.Ts = k.Tc, k integer, m <0, k <0 , and
a calibration evaluator ( 22 ) for determining the DC offset as a quotient Σ / m, where Σ is the sum of output values of the AD converter ( 6 ) which follow one another during m periods Ts.
wobei ein AD-Wandler (6) das Messsignal (5) mit einer Abtastzeit T abtastet und digitalisiert,
wobei die während der Dauer einer Periode Ts aufeinanderfolgenden Ausgangswerte des AD-Wandlers (6) zu einem DC-Anteil aufsummiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass von dieser Summe ein DC-Offset subtrahiert wird,
dass zur Kalibrierung der Messung ein Kalibriersignal auf einen Eingang (5) des AD-Wandlers (6) geführt wird,
wobei das Kalibriersignal symmetrisch und periodisch mit einer Periode Tc ist und einen DC-Anteil von null und eine Dauer von mindestens L aufweist, wobei L = m.Ts = k.Tc, und k ganzzahlig, m<0, k<0,
dass aufeinanderfolgende Ausgangswerte des AD-Wandlers (6) während der Dauer L zu einer Summe Σ aufsummiert werden und dass der DC-Offset als ein Quotient Σ/m bestimmt wird.9. Method for measuring the DC component of a periodic measurement signal (S) with a period Ts,
an AD converter ( 6 ) samples and digitizes the measurement signal ( 5 ) with a sampling time T,
The output values of the AD converter ( 6 ) which follow one another over the period of a period Ts are added up to form a DC component, characterized in that a DC offset is subtracted from this sum,
that a calibration signal is fed to an input ( 5 ) of the AD converter ( 6 ) in order to calibrate the measurement,
wherein the calibration signal is symmetrical and periodic with a period Tc and has a DC component of zero and a duration of at least L, where L = m.Ts = k.Tc, and k integer, m <0, k <0,
that successive output values of the AD converter ( 6 ) are summed up to a sum Σ during the duration L and that the DC offset is determined as a quotient Σ / m.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1999105271 DE19905271A1 (en) | 1999-02-09 | 1999-02-09 | Device for measuring DC component of a periodic measurement signal has calibrating unit for determining DC offset with calibrating source to produce a periodic symmetrical calibrated signal |
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| DE1999105271 DE19905271A1 (en) | 1999-02-09 | 1999-02-09 | Device for measuring DC component of a periodic measurement signal has calibrating unit for determining DC offset with calibrating source to produce a periodic symmetrical calibrated signal |
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| DE1999105271 Withdrawn DE19905271A1 (en) | 1999-02-09 | 1999-02-09 | Device for measuring DC component of a periodic measurement signal has calibrating unit for determining DC offset with calibrating source to produce a periodic symmetrical calibrated signal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19905271A1 (en) |
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