DE2028154B2

DE2028154B2 - Schaltungsanordnung zur digitalen Messung eines Analogsignals

Info

Publication number: DE2028154B2
Application number: DE2028154A
Authority: DE
Inventors: Eric Headley Hampshire Metcalf (Grossbritannien)
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1969-06-11
Filing date: 1970-06-09
Publication date: 1979-08-16
Also published as: CA926511A; GB1276138A; US3659086A; DE2028154A1; FR2045988A1; SE366592B

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur ,n digitalen Messung eines Analogsignals, mit einem Analog-Digitalwandler zur Wandlung eines Analogsignals in ein digitales Meßsignal mit Unterdrückung einer Rauschkomponente der Periode T, wobei der Analog-Digitalwandler eine Wandlungsschaltung, die v. das Analogsignal in ein digitales Zwischensignal umwandelt, und einen Speicher enthält, der eine Vielzahl von zeitlich gleichförmig beabstandeten digitalen Zwischensignalen innerhalb einer Periode nt (wobei η eine ganze Zahl ist) speichert, um die digitalen m> Meßsignäle zu erzeugen und an seinem Ausgang zur Verfügung zu stellen.

Aus der Druckschrift »Radio Mentor«, 1966, S. 918—922 ist eine derartige Schaltungsanordnung bekannt, bei der Meßwerte wiederholt gespeichert ο, werden, um eine Rauschverringerung zu bewirken. Allerdings wird bei diesen bekannten Analog-Digitalwandlern kein Gebrauch von einer Gewichtung und dadurch verstärkten Rauschunterdrückung periodischer Rauschkomponenten gemacht

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die ein Analogsignal in ein digitales Meßsignal umwandelt und dabei Rauschkomponenten mit einer Zeitperiode T unterdrückt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Multiplizieranordnung mit einer Steuereinrichtung vorgesehen ist, die von den gespeicherten digitalen Zwischensignalen ausgewählte Signale mit einem Faktor multipliziert, der eine Gewichtsfunktion darstellt, die die Unterdrückung der Rauschkomponente mit der Periode Tverbessert

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erlaubt ganz allgemein ein aktives Filtern eines Analogsignals, um unerwünschte periodische Störkomponenten zu unterdrücken. Wird das Analogsignal z. B. lOmal oder lOOmal oder mehr zeitlich gleichförmig beabstandet innerhalb einer Periode nT abgetastet und in digitale Zwischensignale umgewandelt und dann gespeichert so ist die Wirkung ähnlich derjenigen einer wiederholten Messung, wodurch zufällige Fehler in der Messung wesentlich vermindert werden. Die wiederholte Abtastung innerhalb der Meßdauer, die gleich dem Reziprokwert bzw. einem Vielfachen des Reziprokwerts der vorherrschenden Störfrequenz gemacht wird, um die gewünschte Störunterdrückung zu erreichen, entspricht einer Integration des analogen Eingangssignals. Erfindungsgemäß erfolgt eine gewichtete Integration, um die Rauschunterdrückung zu verbessern. Die Erfindung kann sich daher eines einfachen Analog-Digitalwandlers bedienen, dessen Empfindlichkeit und Genauigkeit wesentlich geringer sein kann als bei bekannten komplizierten integrierenden Schaltungen.

Erfindungsgemäß ist es möglich, den Gewichtsdfaktor, mit dem die Zwischensignale multipliziert werden, während einer Meßperiode zu ändern Beispielsweise läßt sich die erfindungsgemäße verbesserte Störunterdrückung dadurch verwirklichen, daß während der Zeitintervalle -2T< t'< -37/2, -772<f'<0 und -3772<f'<772 mit dem Gewichtsfaktor vom Wert 1 gewichtet wird, wobei die Zeit f'vom Zeitpunkt r'=0 am Ende der Meßperiode gemessen wird, die eine Dauer von 2 Γ besitzt, und daß während des Zeitintervalls -3772<f'<772 mit dem Gewichtsfaktor vom Wert 3 gewichtet wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele bilden die genannte Gewichtsfunktion nach.

In den Figuren zeigt

F i g. I ein erläuterndes Diagramm,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig.3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 wird das Prinzip der Schaltung erläutert, wobei die Zahl der dargestellten Abtastvorgänge 12 beträgt. In der Praxis wird eine größere Anzahl von Abtastungen, z.B. 100 oder 1000 bevorzugt. Das Gleichstromsigna! V wird an den Stellen S 12mal abgetastet, um Impulse Wi bis /Vi₂ zu erhalten. Wenn diese Impulse kummulativ gezählt werden, wobei M bis

Νί mit der GewichtsFunktion 3 multipliziert wird, nähen die kummulative Zählung den Wert an, den man erhalten würde, wenn man V über die gesamte Abiastperiode 27" integriert, wobei V oder der kontinuierlich erzeugte Integralwert mit der Gewichtsfunktion X multipliziert ist

Die Schaltungsanordnung der Fig.2 dient dazu, diesen Abtastvorgang zu erzeugen.

Die Abtastsignale werden in Intervallen erzeugt, die durch einen Taktimpulsgenerator 10 mit der Periode t hervorgerufen werden. Dabei ist 12f=2Tund die Zeit 12f ist gleich der Periode eines Störsignals, mit dem die Eingangsspannung V behaftet ist oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen di^er Periode. Wenn eine Messung ausgeführt werden soll, wird eine zur Ingangsetzung benutzte bistabile Schaltung 12 gesetzt, so daß ein Tor 13 geöffnet wird, welches Taktimpulse von dem Tsktimpulsgenerator 10 einem Analog-Digitalwandler 14 zuführt, sowie einem zwölfstufigen Ringzähler 16, der den Abtastvorgang steuert. Der zwölfte Ausgang des Ringzählers setzt die bistabile Schaltung 12 wieder zurück, um die Messung zu beenden.

Der Analog-Digitalwandler 14 enthält einen Eingangsverstärker 18, der an die Eingangsklemme 20 angeschlossen ist, an der die Spannung V liegt. Der Verstärker 18 führt eine Spannung V dem Eingang eines Differenzverstärkers 22 zu. Wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers 22 negativ wird, wird eine Triggerschaltung 24 gesetzt, so daß ein Tor 26 geöffnet wird und schnelle Taktimpulse eines Taktgebers 28 in einen Zähler 30 speist. Die in dem Zähler vorhandene Zahl wird in eine Rückkopplungsspannung Vt, umgewandelt und dem anderen Eingang des Verstärkers 22 durch einen Digital-Analogwandler 32 zugeführt, der z. B. aus geschalteten Widerständen bestehen kann. Um V abzutasten, ist es nur notwendig, den Zähler 30 zurückzustellen, und dies wird durch jeden Abtastimpuls, der durch das Tor 13 hindurchgeht, ausgeführt.

Die Triggerschaltung 24 wird hierdurch gesetzt und die schnellen Impulse passieren die Torschaltung. Der Zähler 30 zählt rasch bis zur Zahl N* die bewirkt, daß V_b die Spannung Vgenau ausgleicht (i= 1 bis 12).

Diese Art eines Analog-Digitalwandlers ist an sich bekannt und kann in einfacher Weise als integrierte Schaltung hergestellt werden, bei der de Widerstände aus dünnen Schichten bestehen.

Nach einer passenden Verzögerung, die durch eine Verzögerungsschaltung 34 hervorgerufen wird, bewirkt jeder Abtastimpuls, der durch das Tor 13 hindurchgeht, daß die Zahl A/,in dem Zähler 30 der in einem Speicher 36 enthaltenen Zahl hinzuaddiert wii-d, ohne daß jedoch der Zähler 30 geleert wird (da dies nur direkt durch einen Abtastimpuls geschieht). Wie man diese Additionen bewirken kann, is; in der Digital-Technik bekannt. In der Schaltung ist symbolisch ein Tor 38 angegeben, das durch den verzögerten Abtastimpuls geöffnet wird.

Wenn sich der Ringzähler im Zustand 4 bis 9 befindet, wird ein Signal von einer ODER-Schaltung 40 erhalten, welches bewirkt, daß <V, (/=4 bis 9) in den Speicher 36 dreimal eingezählt wird und nicht nur einmal. Das Ausgangssignal der Torschaltung 40 schließt einen Transistorschalter 42, der das Ausgangssignal der Verzögerungsschalter 34 an zwei weitere in Kaskade geschaltete Verzögerungsschaltungen 44 und 46 abgibt, deren Ausgangssignale dazu dienen, die Torschaltung 38 zu öffnen.

Die im Speicher erhaltene Endzahl beträgt N multipliziert mit (3+3 · 6 + 3) = 24N, wobei N der gewünschte Mittelwert der Messung ist Die Wirkung der wiederholten Abtastung mit verschiedenem Gewicht ist daß ein linearer Maßstabfaktor eingeführt wird, wenn es sich um eine Gleichspannung am Eingang handelt

ίο Es ist daher ohne weiteres möglich, die Anordnung so zu treffen, daß die Zahl, die in dem Speicher 36 tatsächlich gespeichert wird, eine direkte Ablesung von V ergibt (z. B. durch geeigneten Maßstab des Digital-Analogwandlers 32).

is Es ist nicht notwendig, daß die Abtastungen gleiche Abstände haben und eine Veränderung des Abstandes der Abtastungen ergibt eine alternative Methode, um den Gewichtsfaktor in Obereinstimmung mit der Funktion X zu ändern. Diese Möglichkeit ist in F i g. 3 näher erläutert, bei der ein Analog-Dipitalwandler 14 genau wie in F i g. 2 benutzt wird. Der "ι jktimpulsgenerator 10' läuft nun mit der dreifachen Fiequenz des Taktimpulsgenerators 10 in Fi g. 2. Das Ausgangssignal des Tores 13 wird einem Frequenzteiler 48 zugeführt der durch drei teilt, und dessen Ausgangssignal den Ringzähler 16 speist

Bei den Werten 1, 2, 3, 10, 11 und 12 des Zählers 16 wird ein Schalter 50 durch ein ODER-Tor 52 geschlossen, um die Ausgangssignale azs Frequenztei-

jo lers 48 als Abtastimpulse zu benutzen, welche den Zähler in dem Analog-Digitalwandler 14 ausleeren und die Verzögerungsschaltung 34 durchlaufen, um das Tor 38 zu öffnen (die weiteren Verzögerungsschaltungen 44 und 46 werden nicht benötigt).

r> Bei den Werten 4 bis 9 wird das ungeteilte Ausgangssignal der Torschaltung 13 als Abtastsignal benutzt, so daß drei Abtastsignale an jeder dieser Stellen erzeugt werden. Das Ausgangssignal des ODER-Tors 40 schließt nun einen Schalter 54 anstelle

ni des Schalters 50.

Durch die Erfindung ist es möglich, einen Analog-Digitalwandler niedriger Auflösung zu benutzen, um eine Messung hoher Genauigkeit oder Auflösung zu erhalten. Wenn die Auflösung 1 zu M ist, und N

ι. Messungen vorgenommen werden, ergib: sich sine Endgenauigkejt infolge eines statistischen Ergebnisses von 1 zu ]/N ■ M, vorausgesetzt natürlich, daß der Wandler auf 1 zu /N- M genau ist. (Durch die Erfindung werden lediglich statistische Fehler vermin-

"ΊΙ dert, systematische Fehler lassen sich nicht vermindern.) Dabei wird vorausgesetzt, daß das Analogsignal eine willkürliche oder zufällige Komponente enthält, da andernfalls ein Wandler niedriger Auflösung lediglich zu einer., Aurundungsfehler führen würde. Wenn jedoch

Vi das Signal frei von Störungen sein sollte, kann die Erfindung in der Weise angewendet werden, daß lediglich ein Störsignal dem Signal zugeführt wird, z. B. ein Rauschsignal oder ein Pseudorauschsignal oder ein periodisches Signal m^:*. einer Periode, die gleich einem

hu ganzzahligen Bruchteil der Meßperiode ist. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Amplituden des hinzugefügten Signals sollte für alle Amplituden zwischen den Spitzenamplituden flach sein. Geeignete Signale sind z. B. dreieckförmig oder sägezahnförmig

h'i verlaufende Signale.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur digitalen Messung eines Analogsignals, mit einem Analog-Digitalwandler zur Wandlung eines Analogsignals in ein digitales Meßsignal mit Unterdrückung einer Rauschkomponente der Periode T, wobei der Analog-Digitalwandler eine Wandlungsschaltung, die das Analogsignal in ein digitales Zwischensignal umwandelt, und einen Speicher enthält, der eine Vielzahl von zeitlich gleichförmig beabstandeten digitalen Zwischensignalen innerhalb einer Periode nT (wobei π eine ganze Zahl ist) speichert, um die digitalen Meßsignale zu erzeugen und an seinem Ausgang zur Verfugung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Multiplizieranordnung (42,44,46,38) mit einer Steuereinrichtung (16) vorgesehen ist, die von den gespeicherten digitalen Zwischensignalen ausgewählte Signale mit einem Faktor multipliziert, der eine Gewicbtsfunktion darstellt, die die Unterdrückung der Rauschkomponente mit der Periode T verbessert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplizieranordnung (42, 44, 46, 38) die ausgewählten digitalen Zwischensignale mehrfach dem Speicher (36) zuführt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, mit einem Taktimpulsgenerator zur Steuerung der Analog-Digitalwandlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (16) als ein Zähler für die Taktimpulse und als eine Schaltung (40) ausgebildet ist, die auf ausgewählte Zusti: /Je des Zählers anspricht, um die Multiplmcranordnung (42, 44, 46, 38) zu verwirklichen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlungsschaltung einen zweiten Zähler enthält, in dem die Zwischensignal erzeugt werden, daß die Multiplizieranordnung (42, 44, 46, 38) ein Tor (38) für den Transfer des Inhalts des zweiten Zählers (30) zum Speicher (36) in Abhängigkeit von jedem Taktimpuls, und eine Schaltung (44, 46) enthält, die das Tor (38) während jedes ausgewählten Zustands des ersten Zählers (16) mindestens ein zusätzliches Mal betätigt.

IO