DE19913473A1

DE19913473A1 - Verfahren zum Umwandeln eines Digitalwertes in einen Analogwert

Info

Publication number: DE19913473A1
Application number: DE1999113473
Authority: DE
Inventors: Thomas Weigold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2000-10-05

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umwandeln eines Digitalwertes durch Variieren einer Grundpulsweite (PWO) mittels eines Pulsweitenmodulators (3) und eines nachgeordneten Filters (4) zum Bilden eines Mittelwertes in einen Analogwert, bei dem das Bit-Format m+k des Digitalwertes größer ist als die gegebene Bit-Auflösung k des Pulsweitenmodulators (3) und der Digitalwert voll aufgelöst wird. Eine einfache Vorgehensweise wird dadurch erzielt, dass der Digitalwert vor der Eingabe in den Pulsweitenmodulator (3) zunächst in einen Anteil der höherwertigen Bits (MSB), deren Bitzahl der Bit-Auflösung des Pulsweitenmodulators (3) entspricht, und einen Anteil der niederwertigen Bits (LSB) unterteilt wird, deren Bitzahl der Anzahl der restlichen Bits entspricht, dass der Bitwert des Anteils der höherwertigen Bits (MSB) die Grundpulsweite (PWO) bestimmt, dass zum Ansteuern des Pulsweitenmodulators (3) eine Anzahl 2·m· von Perioden (T¶2¶, T¶3¶, T¶4¶, T¶5¶) gleicher Dauer mit einer Gesamtperiodendauer (T) entsprechend der Summe der Perioden (T¶2¶, T¶3¶, T¶4¶, T¶5¶) gebildet wird, wobei m die Anzahl der niederwertigen Bits (LSB) bezeichnet und während der Dauer der einzelnen Perioden (T¶2¶, T¶3¶, T¶4¶, T¶5¶) eine Pulsweite (PW) gleich bleibt, die durch Modulation der Grundpulsweite (PWO) erzeugt wird, indem die Grundpulsweite (PWO) in so vielen Perioden (T¶2¶, T¶3¶, T¶4¶, T¶5¶) in deren Reihenfolge jeweils um den Wert 1 erhöht wird, wie der Bitwert der niederwertigen ...

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umwandeln eines Digitalwertes durch Variieren einer Grundpulsweite mittels eines Pulsweitenmodulators und eines nachgeordneten Filters zum Bilden eines Mittelwertes in einen Analogwert, bei dem das Bit-Format des Digitalwertes größer ist als die gegebene Bit-Auf lösung des Pulsweitenmodulators und der Digitalwert voll aufgelöst wird.

Als bekannt wird (ohne dass ein entsprechender schriftlicher Beleg vorhanden ist) ein Verfahren zur Erhöhung der Auflösung eines Digitalwertes angenommen, bei dem zwei 8-Bit-Pulsweitenmodulations(PWM)-Kanäle über unterschiedliche Spannungsteiler auf einen Summierer geschaltet werden. Hierbei sind jedoch zwei PWM-Kanäle und zusätzlicher externer Schaltungsaufwand mit Spannungs teiler, Operationsverstärker und Filter erforderlich. Außerdem ist die Genauigkeit der Digital/Analog(D/A)-Wandlung abhängig von den Toleranzen der für die Spannungsteiler verwendeten Widerstände.

Bei einem in der DE 35 26 620 A1 angegebenen Verfahren zum Umwandeln eines Digitalwertes in einen Analogwert wird vorgeschlagen, ein z. B. 8-Bit breites Wort von einem Rechner parallel an die Eingänge eines Analog/Digital- Wandlers anzulegen und dabei zur Erhöhung der Auflösung nur das niedrigstwer tige Bit gepulst an den entsprechenden Eingang des Digital/Analog-Wandlers zu übertragen, um damit die Auflösung zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebe nen Art bereit zu stellen, mit dem mit wenig Aufwand eine zuverlässige Um wandlung des Digital-Wertes, dessen Bit-Format größer ist als die gegebene Bit- Auflösung des Pulsweitenmodulators, in einen Analogwert bei voller Auflösung erfolgt.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass der Digitalwert vor der Eingabe in den Pulsweitenmodulator zunächst in einen Anteil der höherwertigen Bits, deren Bitzahl k der Bit-Auf lösung des Pulsweitenmodulators entspricht, und einen Anteil der niederwertigen Bits unterteilt wird, deren Bitzahl m der Anzahl der restlichen Bits entspricht, dass der Bitwert k des Anteils der höherwertigen Bits die Grundpulsweite be stimmt, dass zum Ansteuern des Pulsweitenmodulators eine Anzahl 2^m von Perioden gleicher Dauer mit einer Gesamtperiodendauer entsprechend der Sum me der Perioden gebildet wird, wobei m die Anzahl der niederwertigen Bits be zeichnet und während der Dauern der einzelnen Perioden eine Pulsweite gleich bleibt, die durch Modulation der Grundpulsweite erzeugt wird, indem die Grund pulsweite in so vielen Perioden in deren Reihenfolge jeweils um den Wert 1 er höht wird, wie der Bitwert der niederwertigen Bits angibt, und dass die Zeitkon stante des Filters mindestens so lang ist, wie die Gesamtperiodendauer.

Mit diesen Maßnahmen kann mittels eines Pulsweitenmodulators geringerer Auf lösung als das Bit-Format des Digitalwertes der Digitalwert dennoch voll auf gelöst werden, wobei die Vorgehensweise einfach ist, da die Ansteuerung des Pulsweitenmodulators über nur einen Kanal erfolgt und beispielsweise mittels entsprechender Programmierung vorgenommen werden kann. Die verlängerte Periodendauer zur Umwandlung des Digitalwertes in den Analogwert gegenüber einer Umwandlung eines Digitalwertes, dessen Bit-Format so groß ist wie die Bit- Auflösung des Pulsweitenmodulators, fällt bei vielen Steuerungsaufgaben nicht ins Gewicht und kann daher zugunsten des erheblich verringerten Aufwandes in Kauf genommen werden.

Zum Erhöhen der Zuverlässigkeit der Auflösung ist dabei vorteilhaft vorgesehen, dass die Dauer der Perioden ein ganzzahliges Vielfaches einer Periodendauer eines Grund-Ausgangssignals des Pulsweitenmodulators beträgt.

Der Aufwand wird weiterhin dadurch gering gehalten, dass die Programmierung der Ansteuerung des Pulsweitenmodulators in einer Recheneinheit eines ohnehin für übergeordnete Steuerungsaufgaben vorhandenen und den Pulsweitenmodula tor beinhaltenden Mikrorechners vorgenommen ist.

Ein häufig vorkommender Einsatzfall für das Verfahren besteht z. B. darin, dass die Bitzahl m+k des Digitalwertes 10 und die Bitzahl k der Bit-Auflösung des Pulsweitenmodulators 8 betragen. Derartige Mikrorechner und Pulsweitenmodu latoren sind verbreitet.

Für die Erzeugung des Analogwertes bzw. Mittelwertes ist es günstig, dass die Zeitkonstante des Filters mindestens dem 3-fachen der Gesamtperiodendauer entspricht.

Eine beispielsweise für einen Steuerungsvorgang in einem Kraftfahrzeug ge eignete Maßnahme besteht darin, dass die Dauer der Perioden jeweils 5 ms und die Periodendauer des Grund-Ausgangssignals 1/15 ms betragen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be zugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einem Blockdiagramm,

Fig. 2 eine Veranschaulichung der zeitlichen Vorgänge bei der Um wandlung und

Fig. 3 eine Darstellung zur Aufteilung des Bit-Formats für die Um wandlung.

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung zur Umwandlung eines Digitalwertes in einen entsprechenden Analogwert. Der Digitalwert wird als Eingangswert 1 einer Recheneinheit 2 beispielsweise eines Mikrorechners zu geführt und nach einer Aufbereitung gemäß dem vorliegenden Verfahren einem Pulsweitenmodulator 3 zugeführt, der ebenfalls in dem Mikrorechner vorhanden sein kann. Das Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators 3 wird über einen Filter 4 geglättet und entweder direkt oder über einen Verstärker 5 als aus gegebener Analogwert an einem Ausgang 6 zur Verfügung gestellt. Beispiels weise beträgt die Bitzahl m+k des Digitalwertes 1, der seriell oder parallel zugeführt werden kann, 10 Bit, während die Bit-Auflösung k des Pulsweitenmo dulators 3 z. B. 8 Bit beträgt.

Mittels eines in der Recheneinheit 2 vorliegenden Algorithmus wird aus dem 10- Bit-Digitalwert 1 der 8-Bit-Pulsweitenmodulator 3 so programmiert, dass sich an dessen Ausgang ein Signal entsprechend Fig. 2 einstellt. Hierbei bedeuten ton die Einschaltzeit am Ausgang des Pulsweitenmodulators 3, toff die Aus schaltzeit am Ausgang des Pulsweitenmodulators 3, U die Spannung, umax die Spannungsamplitude des Signals am Ausgang des Pulsweitenmodulators 3, t die Zeit, T1 die Periodendauer des Ausgangssignals des Pulsweitenmodulators 3, T2 bis T5 die Dauern der Perioden, während der jeweils eine konstante Pulsweite PW ausgegeben wird, wobei gilt T₂ = T₃ = T₄ = T₅, T die Gesamtperioden dauern, wobei gilt T = T₂ + T₃ + T₄ + T₅ und PWO die Grund-Pulsweite, wobei gilt PWO = ton/(ton + toff).

In Fig. 3 ist die Aufteilung des 10-Bit-Digitalwertes 1 mittels des Programms in der Recheneinheit 2 dargestellt, wobei der Digitalwert 1 in einen Anteil von 8 höherwertigen MSB und einen Anteil von zwei niedrigwertigen Bits LSB unterteilt ist, wobei die höherwertigen Bits MSB durch die Grund-Pulsweite PWO und die niedrigwertigen Bits LSB durch einen Bit-Wert n wiedergegeben werden, wäh rend der gesamte Digitalwert 1 durch die Pulsweite PW wiedergegeben wird.

In einem Ausführungsbeispiel gelten folgende Daten: T₁ = 1/15 ms, PWO = (1 . . . 255)/256, umax = 5 V, T₂ bis T₅ jeweils 5 ms und T = 20 ms.

Der Mittelwert eines (m+k)-Bit-Ausgangssignals eines Pulsweitenmodulators errechnet sich allgemein zu:

MW = (umax/2^(m+k).PW

In dem Ausführungsbeispiel gilt dann (m = 2; k = 8):

MW = (umax/1024).PW

Beim Verfahren nach Anspruch 1 gilt für die Pulsweite allgemein:

PW = 2^m.PW ∅ + u

In dem Ausführungsbeispiel gilt dann:

PW = 4.PW∅ + u

u ist hierbei der Bitwert der niederwertigen Bits LSB.

Die höherwertigen 8-Bits bestimmen die Grundpulsweite PWO des 8-Bit-Puls weitenmodufators 3. Abhängig von dem Bitwert n der zwei niederwertigsten Bits LSB wird während der Gesamtperiodendauer T immer für eine Dauer einer Perio de T₂, T₃, T₄, T₅ die Grundpulsweite entsprechend folgender Tabelle moduliert:

Demnach wird die Grundpulsweite aufeinander folgend in den Perioden T₂ bis T₅ entsprechend dem Bitwert n um 1 erhöht, um die jeweilige Pulsweite PW zu erhalten.

Wäre die Anzahl m der niedrigwertigen Bits LSB z. B. 3, so würde sich die Anzahl der Perioden T₂ bis T₁₊₂ ^m auf 2^m = 8 erhöhen, während sie bei einer Anzahl von nur einem niedrigwertigem Bit LSB 2^m = 2 betragen würde.

Mittels des Filters 4 wird der Mittelwert des Ausgangssignals des Puls weitenmodulators 3 gebildet. Die Zeitkonstante des Filters 4 ist größer zu wählen als die Gesamtperiodendauer T. In einem Ausführungsbeispiel wurde als Zeitkonstante des Filters 4 die vierfache Gesamtperiodendauer T gewählt. Der Mittelwert des Ausgangssignals des Pulsweitenmodulators 3 über die Gesamt periodendauer T errechnet sich nach folgender Gleichung:

MW = (1/2^m [PW∅.(2 ^m-n) + (PW∅ + 1).u].(umax/2^k)

MW = (umax/2^(m+k)).[2^m.PW∅ + n] = (umax/2^(m+k)).PW

Dieser Mittelwert entspricht also dem Mittelwert des 10-Bit-Wertes des Puls weitenmodulators 3. Das Ausgangssignal des Filters 4 kann dann direkt oder über einen nachgeschalteten Verstärker zur Verfügung gestellt werden.

Bei anderen Digitalwerten und Bitzahlen der Bit-Auflösung des Pulsweiten modulators 3 kann der Mittelwert in entsprechender Vorgehensweise ermittelt werden.

Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens bestehen insbesondere darin, dass zur Ausgabe eines Digitalwertes 1 nur ein einziger Pulsweitenmodulator-Kanal erforderlich ist. Außer dem Filter 4, der im einfachsten Fall durch einen RC- Tiefpaß realisiert werden kann, ist kein zusätzlicher Schaltungsaufwand er forderlich. Die Auflösung kann theoretisch beliebig erhöht werden, wobei na türlich die Grenzen durch die zulässige Zeitkonstante des Ausgangssignals gesetzt sind. Das Ausgangssignal ist unabhängig von Toleranzen der verwen deten Widerstände. Das Verfahren ist übertragbar auf Pulsweitenmodulatoren mit anderer Auflösung als 8 Bit.

Claims

1. Verfahren zum Umwandeln eines Digitalwertes durch Variieren einer Grundpulsweite (PWO) mittels eines Pulsweitenmodulators (3) und eines nachgeordneten Filters (4) zum Bilden eines Mittelwertes in einen Ana logwert, bei dem das Bit-Format des Digitalwertes größer ist als die gegebene Bit-Auflösung des Pulsweitenmodulators (3) und der Digitalwert voll aufgelöst wird, dadurch gekennzeichnet,
dass der Digitalwert vor der Eingabe in den Pulsweitenmodulator (3) zunächst in einen Anteil der höherwertigen Bits (MSB), deren Bitzahl der Bit-Auflösung des Pulsweitenmodulators (3) entspricht, und einen Anteil der niederwertigen Bits (LSB) unterteilt wird, deren Bitzahl der Anzahl der restlichen Bits entspricht,
dass der Bitwert des Anteils der höherwertigen Bits (MSB) die Grund pulsweite (PWO) bestimmt,
dass zum Ansteuern des Pulsweitenmodulators (3) eine Anzahl 2^m von Perioden (T₂, T₃, T₄ . . ., T₁₊₂ ^m) gleicher Dauer mit einer Gesamtperioden dauer (T) entsprechend der Summe der Perioden (T₂, T₃, T₄, T₅) gebildet wird, wobei m die Anzahl der niederwertigen Bits (LSB) bezeichnet und während der Dauern der einzelnen Perioden (T₂, T₃, T₄, T₅) eine Pulsweite (PW) gleich bleibt, die durch Modulation der Grundpulsweite (PWO) er zeugt wird, indem die Grundpulsweite (PWO) in sovielen Perioden (T₂, T₃, T₄, T₅) in deren Reihenfolge jeweils um den Wert 1 erhöht wird, wie der Bitwert der niederwertigen Bits (LSB) angibt, und
dass die Zeitkonstante des Filters (4) mindestens so lang ist, wie die Gesamtperiodendauer (T).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Perioden (T₂, T₃, T₄, T₅) ein ganzzahliges Vielfaches einer Periodendauer (T₁) eines Grund-Ausgangssignals des Pulsweiten modulators (3) beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmierung der Ansteuerung des Pulsweitenmodulators (3) in einer Recheneinheit (2) eines ohnehin für übergeordnete Steuerungsauf gaben vorhandenen und den Pulsweitenmodulator (3) beinhaltenden Mikrorechners vorgenommen ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bitzahl des Digitalwertes 10 und die Bitzahl der Bit-Auflösung des Pulsweitenmodulators (3) 8 betragen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante des Filters (4) mindestens dem 3-fachen der Gesamtperiodendauer (T) entspricht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Perioden (T₂, T₃, T₄, T₅) jeweils 5 ms und die Periodendauer (T₁) des Grund-Ausgangssignals 1/15 ms betragen.