DE2309809A1

DE2309809A1 - Verfahren zur gewinnung eines oberwellenarmen signals

Info

Publication number: DE2309809A1
Application number: DE19732309809
Authority: DE
Inventors: Eckart Dipl-Ing Cattien; Gerd Kuligowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-02-23
Filing date: 1973-02-23
Publication date: 1974-09-12
Also published as: DE2309809C3; DE2309809B2; FR2219575B1; FR2219575A1; US3961205A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den 2 3. FEB. 19⁷3 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str. 50

Unser Zeichen: VPA 73/3709 ICr/Et ζ

Verfahren zur Gewinnung eines oberwellenarmen Signals

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung eines oberwellenarmen Signals aus einem aus einzelnen Amplitudenschritten bestehenden Signal.

Beispielsweise in der Fernmeßtechnik zerlegt man zur Erzielung einer möglichst hohen Übertragungsgenauigkeit am Anfang einer Übertragungsstrecke eine analoge Meßgröße mitunter in eine Anzahl von Amplitudenschritten. Jedem Amplitudenwert wird eine bestimmte Impulsfolge zugeordnet, wodurch eine Codierung eintritt. Am anderen Ende der Übertragungsstrecke erfolgt eine Decodierung, so daß dann wieder eine analoge Meßgröße entsteht, die aus einzelnen Amplitudenschritten zusammengesetzt ist. Diese analoge Größe weist einen verhältnismäßig starken Anteil von Oberwellen auf. Die Oberwellen der höchsten Frequenzen lassen sich zwar durch einen Tiefpaß aussieben, der gerade noch die obere Grenzfrequenz des Signals durchläßt, jedoch werden Oberwellenanteile niederfrequenterer Vorgänge durchgelassen, weil das Filter auf die obere Grenzfrequenz abgeglichen ist. Auch eine mittels eines Filters gesiebte analoge Meßgröße, die aus einer aus einzelnen Amplitudenschritten bestehenden Meßgröße gewonnen ist, weist demzufolge noch einen recht beträchtlichen Anteil an Oberwellen auf.

409837/0923

-2- VPA 73/3709

Auch in der Meßtechnik, "beispielsweise bei der Störwerterfassung, werden die Meßgrößen mitunter fortlaufend in Amplitudeilschritte bzw. Digitalwerte umgesetzt. Diese Digitalwerte werden gespeichert und nach Ablauf einer Verzögerungszeit wieder in die analoge Form zurückgeführt. Die demzufolge aus einzelnen Amplitudenschritten zusammengesetzte Größe wird dann ebenfalls Filtern zugeführt, die einen Teil der Oberwellen und die Abtastfrequenz aussieben (vgl. "Siemens-Zeitschrift", 45(1971)10, Seiten 634 und 635). Eine oberwellenarme Nachbildung der Meßgröße am Ausgang in bezug auf die am Eingang liegende analoge Meßgröße ist im vollen Umfange auf diese V/eise nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung eines oberwellenarmen Signals, beispielsweise einer Meßgröße, aus einem aus einzelnen Amplitudenschritten bestehenden Signal zu schaffen, mit dem ein einen sehr geringen Oberwellenanteil aufweisendes Signal gewonnen werden kann, das daher der Ursprungsmeßgröße vor der Zerlegung in einzelne Amplitudenschritte weitgehend entspricht.

Zur lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangsbeschriebenen Art zwischen jeweils dem Wert eines Amplitudenschrittes und dem Wert des folgenden Amplitudenschrittes über eine Zeitdauer interpoliert, die durch den zeitlichen Abstand einander entsprechender Punkte der beiden Amplitudenschritte gegeben ist. Vorzugsweise wird zwischen den Amplitudenwerten linear interpoliert. Möglich erscheint es auch, bei der Interpolation die Änderung des Signals in der Vergangenheit zu berücksichtigen oder eine Interpolation höherer Ordnung anzuwenden.

Gemäß der Erfindung wird also beispielsv/eise zwischen dem

-3-409837/0923

-3- VPA 73/3709

Wert an der Vorderflanke eines Amplitudenschrittes urid dem Wert an der Vorderflanke des folgenden Amplitudenschrittes linear interpoliert, wodurch ein Kurvenzug entsteht, der sich erheblich besser an den Kurvenverlauf der ursprünglichen analogen Meßgröße anpaßt als dies unter Verwendung von Filtern bisher erreichbar war, bzw. es wird ein Kurvenzug erzeugt, der der erwarteten tatsächlichen Kurvenform erheblich näherkommt, als dies unter Verwendung von Filtern bisher möglich war. Die lineare Interpolation ist selbstverständlich nicht nur zwischen den Werten aufeinanderfolgender Amplitudenschritte jeweils zwischen deren Vorderflanken möglich, sondern läßt sich generell zwischen einander entsprechenden Punkten aufeinanderfolgender Amplitudenschritte vornehmen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor allem darin gesehen, daß der Oberwellenanteil auf Werte vermindert werden kann, die erheblich unter denen bei Verwendung von Filtern erreichbaren liegen, da Oberwellenanteile von niederfrequenteren Vorgängen vom Filter durchgelassen werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Weiterbildung der Erfindung eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die eine Integrationsanordnung enthält, mit deren Eingang zwei Speichereinrichtungen verbunden sind; die eine Speichereinrichtung ist über einen Schalter auch an den Ausgang der Integrationsanordnung und die andere Speichereinrichtung über einen weiteren Schalter auch an eine die aus einzelnen Amplitudenschritten bestehende Meßgröße abgebende Anordnung angeschlossen, und den Schaltern ist eine Steuereinrichtung zugeordnet.

-4- VPA 73/3709

Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß in der Integrationsanordnung entstehende Ungenauigkeiten kompensiert werden; die Ausgangsgröße der Integrationsanordnung, die mit der Ausgangsgröße der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung identisch ist, wird nämlich jeweils in der einen Speichereinrichtung gespeichert und auf den Eingang der Integrationsanordnung zurückgeführt, wodurch die dort vorgenommene Summen- bzw. Differenzbildung zu einer Anhebung der Ausgangsgröße über das an sich erforderliche Maß bzw. zu einer entsprechenden Absenkung führt, wenn die Integrationsanordnung mit gewissen inneren Ungenauigkeiten arbeitet.

Die Steuereinrichtung kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein; wichtig ist, daß sie in irgendeiner Weise in Abhängigkeit von den einzelnen Amplitudenschritten bzv/. deren Auftreten beeinflußt wird und die Schalter entsprechend steuert, da diese von der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von den Amplitudenschritten bzw. der Zeitdauer der einzelnen Amplitudenschritte gesteuert werden müssen.

Die Speichereinrichtungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können unterschiedlich ausgebildet sein. Als vorteilhaft wird es wegen der einfachen Ausführung angesehen, wenn die Speichereinrichtungen aus jeweils einem Kondensator bestehen; zwischen jedem Kondensator und dem Eingang der Integrationsanordnung ist ein Impedanzwandler derart angeordnet, daß sein hochohmiger Eingang mit dem Kondensator verbunden ist. Auf diese Weise ist erreicht, daß während der Integrationszeit, die von einer Betätigung der Schalter bis zur nächstfolgenden reicht bzw. die durch den zeitlichen Abstand einander entsprechender Punkte

409837/09?3

-5- VPA 73/3709

zweier aufeinanderfolgender Amplitudenschritte gegeben ist, konstante Ströme in die Integrationsanordnung eingespeist werden.

Die Integrationsanordnung kann in an sich bekannter Weise von einem als Summationsintegrator geschalteten Operationsverstärker gebildet sein, wie er in der Zeitschrift "messen + prüfen", 1969, Seite 667, beschrieben ist.

Die Schalter sind vorteilhafterweise von Feldeffekttransistoren gebildet.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt; in der Figur 2 ist in einem Diagramm der zeitliche Verlauf des aus einzelnen Amplitudenschritten bestehenden Signals wiedergegeben, und in der Figur 3 ein Kurvenzug gezeigt, wie er sich mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aus einem aus einzelnen Amplitudenschritten bestehenden Signal gewinnen läßt.

Das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung enthält eine Integrationsanordnung I, die von einem als Summationsintegrator geschalteten Operationsverstärker V besteht. Der Operationsverstärker V ist demzufolge mit einem Kondensator C1 zwischen Eingang und Ausgang versehen und enthält an seinem Eingang einen Widerstand R1 und einen weiteren Widerstand R2. Der Widerstand R1 ist mit dem Ausgang A1 eines Impedanzwandlers W1 verbunden, der von einem entsprechend geschalteten Operationsverstärker gebildet ist. An den hochohmigen Eingang E1 des Impedanzwandlers W1 ist eine Speichereinrichtung angeschlossen, die von einem Kondensator C2 gebildet ist. Der Eingang E1 des Impedanzwandlers W1 bzw. der Kon-

409837/092 3

-6- VPA 73/3709

densator C2 ist über einen Schalter S1, der im dargestellten Ausführungsbeispiel von einem Feldeffekttransistor ge- . bildet ist, an den Ausgang A2 der Integrationsanprdnung I angeschlossen.

Der weitere Widerstand R2 am Eingang des Operationsverstärkers V ist an den Ausgang A3 eines weiteren Impedanzwandlers W2 angeschlossen, der ebenfalls aus einem entsprechend geschalteten Operationsverstärker besteht. Der hochohmige Eingang E2 des Impedanzwandlers W2 ist an eine weitere Speichereinrichtung angeschlossen, die von einem Kondensator C3 gebildet ist. Der Kondensator C3 ist außerdem über einen von einem Feldeffekttransistor gebildeten weiteren Schalter S2 mit einer Eingangsklemme E3 der Schaltungsanordnung verbunden. Diese Eingangsklemme E3 steht mit einer der besseren Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellten Anordnung in Verbindung, welche ein aus einzelnen Amplitudenschritten bestehendes Signal "* abgibt.

Die Schalter S1 und S2 werden von einer Steuereinrichtung St gesteuert und sind zu diesem Zwecke mit dieser Steuereinrichtung verbunden. Die Steuereinrichtung St wird so betrieben, daß sie die Schalter S1· und S2 in der oben beschriebenen Weise in Abhängigkeit vom Auftreten der Amplitudenschritte kurzzeitig schließt und öffnet.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet in folgender Weise:

Tritt an der Eingangsklemme E3 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein Amplitudenschritt auf, dann v/ird während des Vorhandenseins dieses Amplitudenschrittes der weitere Schalter S2 kurzzeitig geschlossen und dadurch eine Aufladung des Kondensators C3 bewirkt. Die an dem Kondensator C3

-7-409837/0923

-7- VPA 73/3709

entstehende Spannung U1 ist dann dem Wert des Amplituden-Schrittes proportional. Von dem dem Kondensator C3 nachgeordneten Impedanzwandler W2 wird an seinem Ausgang A3 eine entsprechende Spannung U1 erzeugt.

Zu derselben Zeit wird der Schalter S1 kurzzeitig geschlossen, und dadurch eine der Spannung -U2 am Ausgang A2 der Integrationsanordnung I entsprechende Spannung im Kondensator C2 gespeichert. Vom Impedanzwandler W1 wird dann an seinem Ausgang A1 eine entsprechende Spannung -U2 erzeugt. Diese Spannung -U2 ist dann ein Maß^ür den Wert des vorhergehenden Amplitudenschrittes.

In den Kondensator C1 der Integrationsanordnung I wird demzufolge ein Strom i eingespeist, der sich durch folgende Gleichung (1) "beschreiben läßt:

. _ . U1 U2 #i\

^{1 +} - irr · ⁽¹⁾

Am Ausgang A2 der Integrationsanordnung I ergibt sich dann eine Spannung Ua, die sich durch folgende Gleichung (2) beschreiben läßt:

Ua = Jy. fi.dt - U2. (2)

Da die Spannungen U1 und U2 während der Integrationszeit als konstant angenommen werden können, ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (2) folgende Gleichung (3):

^üa --or · ^-jif)·* -^ü2 * ⁽³>

wobei t die Zeitdauer zwischen einem zweimaligen Schließen der Schalter S1 und S2 bedeutet.

Wählt man die Widerstände R1 und R2 gleich und bezeichnet sie mit R, dann folgt aus Gleichung (3) die Gleichung (4):

^{Ua =} - · ^(+u1 " ^U2)·* " ^U2

409837/0923

-8- VPA 73/3709

Da Ua genauso groß wie -Ut gemäß der Aufgabenstellung sein soll, folgt aus der Gleichung (4) die Gleichung (5)

~^U1 = ~■ 1ΠΓΓ * ^(+U1 " "²^* " ^U2· ⁽⁵⁾ Diese Gleichung ist nur erfüllt, wenn

t = C1 . R
ist.

Dies ist die Integrationszeit der Integrationsanordnung. Es ist damit nachgewiesen, daß die Kapazität des Kondensators C1 und der Wert des ohmschen Widerstandes R so gewählt werden müssen, daß das Produkt aus diesen beiden Größen der Zeitdauer zwischen einander entsprechenden Punk ten aufeinanderfolgender Amplitudenschritte entspricht. Dann läßt sich die Aufgabe lösen, ein oberwellenarmes Signal aus einem aus einzelnen Amplitudenschritten bestehenden Signal mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zu bilden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in der Figur 2 in einem Diagramm der Meßwert M über der Zeit t die ursprüngliche analoge Meßgröße M1 gezeigt, die durch Amplitudenschritte AS1, AS2 und AS3 approximiert ist. Diese Amplitudenschritte werden bei V_erwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Form des in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels dem Eingang E3 zugeführt. In der Figur 3 ist in einem ähnlichen Diagramm wiederum die analoge Meßgröße M1 mit ihrem ursprünglichen Kurvenverlauf und der Kurvenzug der oberwellenarmen abgebildeten Meßgröße M2 dargestellt, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gewonnen ist. Die Meßgröße M2 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 am Ausgang A2 abgreifbar.

-9-409837/0923

-9- VPA 73/3709

Man erkennt, daß jeweils zwischen den Punkten P1 und P2, die nach Figur 2 durch den Amplitudenschritt As1 beschrieben sind, gemäß Figur 3 linear interpoliert ist; entsprechendes gilt hinsichtlich der Punkte P2 und P3 sowie P3 und P4, zwischen denen jeweils ebenfalls linear interpoliert ist.

Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Gewinnung eines oberwellenarmen Signals aus einem aus einzelnen Amplitudenschritten bestehenden Signal vorgeschlagen, das ohne die sonst üblichen Filter auskommt und daher die Gewinnung eines Signals gestattet, das dem ursprünglichen Signal, d.h. dem Signal vor Zerlegung in einzelne Amplitudenschritte, weitgehend ähnlich ist und daher einen praktisch völlig zu vernachlässigenden Klirrfaktor aufweist.

3 Figuren

8 Patentansprüche

-10-

409837/0923

Claims

-10- VPA 73/3709

Patentansprüche

Verfahren zur Gewinnung eines oberwellenarmen-Signals aus einem aus einzelnen Amplitudenschritten bestehenden Signal, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen dem Wert eines Amplitudenschrittes und dem Wert des folgenden Amplitudenschrittes über eine Zeitauer interpoliert wird, die durch den zeitlichen Abstand einander entsprechender Punkt der "beiden Amplitudenschritte gegeben ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Werten linear interpoliert wird.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Integrationsanordnung (I) enthält, mit deren Eingang zwei Speichereinrichtungen (C2, 03) verbunden sind, daß die eine Speichereinrichtung (C2) über einen Schalter (S1) auch an den Ausgang (A2) der Integrationsanordnung (I) und die andere Speichereinrichtung (C3) über einen weiteren Schalter (S2) auch an eine das aus einzelnen Amplitudenschritten bestehende Signal abgebende Anordnung angeschlossen ist, und daß den Schaltern (S1, S2) eine Steuereinrichtung (St) zugeordnet ist (Fig. 1).
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (St) derart ausgelegt ist, daß sie während jedes Amplitudenschrittes einen Schließimpuls an die Schalter (S1, S2) abgibt, wobei die Schließimpulse in einer durch den zeitlichen Abstand einander entsprechender Punkte aufeinanderfolgende Amplitudenschritte gegebenen Zeitfolge auftreten (Fig. 1).

-11-409837/0923

-11- VPA 73/3709
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (St) mit der das aus einzelnen Amplitudenschritten bestehende Signal abgehenden Anordnung verbunden ist (Pig. 1).
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtungen aus jeweils aus einem Kondensator (C2, C3) bestehen und daß zwischen jedem Kondensator (02, C3) und dem Eingang der Integrationsanordnung (i) ein Impedanzwandler (¥1, W2) derart angeordnet ist, daß sein hochohmiger Eingang mit dem Kondensator (C2, C3) verbunden ist (Pig. 1).
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsanordnung in an sich bekannter Weise von einem als Summationsintegrator geschalteten Operationsverstärker (V) gebildet ist (Pig. 1).
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1, S2) von Feldeffekttransistoren gebildet sind (Fig. 1).

409837/0923