DE2657915B2 - Verfahren und Vorrichtung zur digitalen Messung analoger Größen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Messung analoger Größen, bei dem die analoge Größe periodisch abgetastet und jeweils in ein entsprechendes Digitalwort umgesetzt wird, und dann während einer vorbestimmten Zeitspanne die Digitalwörter zu einer -to Digitalzahl mit größerer Stellenzahl addiert werden, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren wird nach dem Stand der Technik dann verwendet, wenn die zu messende v> analoge Größe im zeitlichen Verlauf stark schwankt und es lediglich erforderlich ist, den Mittelwert der analogen Größe innerhalb einer bestimmten Zeitspanne genau zu erfassen. Dazu werden die den momentanen Abtastwerten der schwankenden analogen Größe entsprechenden w Digitalwörter während der bestimmten Zeitspanne aufaddiert und nachträglich durch Division durch die Anzahl der Abtastwerte der arithmetische Mittelwert festgestellt

In der US-PS 39 59 769 ist. ein Verfahren der eingangs v> genannten Gattung beschrieben, welches zur Echtheitsprüfung der Unterschrift einer Person angewendet wird. Dabei is I; vorgesehen, daß über einen Druckmeßfühler der bei der Leistung der Unterschrift auf die Schreibunterlage ausgeübte, -zeitlich schwankende mi Druck des Schreibgeräts in ein analoges Signal verwancelt wird. Zur Identifizierung der Unterschrift wurde es dabei als ausreichend anerkannt, wenn der über die Schreibdauer aufintegrierte Druck innerhalb gewisser Grenzen liegt. Es wird daher das dem zeitlich f>'> veränderlichen Druck entsprechende analoge elektrische Sig'ial über einen Analog-DigiMl-Umsetzcr periodisch abgetastet und in Digitalwörter umgesetzt. Diese Digitalwörter werden dann während einer bestimmten Zeitspannne aufaddiert und danach die erhaltene digitale Summe durch eine Zahl dividiert, welche mit der Anzahl der Abtastvorgänge während dieser Zeitspanne verknüpft ist Bei diesem Verfahren wird also eine echte Ermittlung des arithmetischen Mittelwerts der analogen Meßgröße durchgeführt

DAmit nun aber während der Aufaddierung der einzelnen den momentanen Werten der Meßgröße entsprechenden Digitalwörtern die Stellenzahl des als Addierer verwendeten Akkumulators nicht überschritten wird, ist vorgesehen, daß bei n-stelligen Digitalwörtern der Akkumulator die Stellenzahl π + /π aufweist, si daß zur Summenbildung eine entsprechende Anzahl von Oberlauf-Bits zur Verfugung stehen. Die aus den einzelnen Digitalwörtern gebildete Summe weist also eine größere Stellenzahl auf als die einzelnen Digitalwörter selbst. Nachdem aber lediglich der Mittelwert der Digitalwörter gesucht ist, werden nach erfolgter Addition die gegenüber den Digitalwörtern überzähligen Stellen der Addiereinrichtung, und zwar diejenigen mit geringstem Stellenwert, einfach unterdrückt und nicht weiter ausgewertet Lediglich diejenigen Stellen der ermittelten Summe mit den höchsten Stellenwerten werden weiter ausgewertet

In der DE-OS S3 02 707 ist ein Verfahren zur Analog-Digital-Umwandlung beschrieben, bei dem die zu messende Größe zunächst in eine analoge Impulsfrequenz umgeformt wird und danach diese Frequenz über eine bestimmte Zeit ausgezählt wird. Damit hierbei bei schwankender Meßgröße ein definierter Wert erhalten wird, wird die Zählzeit entsprechend der gewünschten Integrationszeit verlängert

Ein anderes Problem bei der digitalen Messung einer analogen Größe besteht darin, daß die üblichen Analog-Digital-Wandler sehr kostspielig sind, wenn von ihnen eine hohe Genauigkeit der Umsetzung gefordert wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung dahingehend weiterzubilden, daß auch bei geringer Genauigkeit der Analog-Digital-Umsetzung eine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß alle Stellen der Digitalzahl als Meßergebnis ausgewertet werden.

Durch diese im nachhinein einfach erscheinende Maßnahme, die jedoch nach dem Stand der Technik ganz und gar unüblich ist, wird auf kostengünstige Art und Weise erreicht, daß selbst unter Verwendung eines billigen handelsüblichen Analog-Digital-Umsetzers geringer Genauigkeit eine hohe Meßgenauigkeit für die analoge Größe erzielt werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung werden einerseits Schwankungen einer nominell konstanten analogen Meßgröße, die z. B. durch Netzbrumm- oder andere Störungen entstanden sind, dadurch eliminiert, daß eine zeitliche Integration dieser zufälligen, beziehungsweise sich über einen bestimmten Zeitraum hinweg statistisch aufhebenden Schwankungen erfolgt.

Zum anderen aber wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß die Fehler der Analog-Digital-Umsetzung mit relativ geringer Genauigkeit einen zufälligen Charakter innerhalb eines Meüintervalls aufweisen, d. h., daß positive Fehler genauso häufig auftreten wie negative Fehler. Durch die erfindungsgemäße Akkumulation der

digitalen Meßwerte werden auch solche statistische Fehler kompensiert

Aber auch dann, wenn die Fehler der ungenauen Analog-Digital-Umsetzung nicht nur rein statistischer Natur sind, sondern systematisch auftreten, bringt das erfindungsgemäße Verfahren eine ganz erhebliche Verbesserung gegenüber den: Stand der Technik in der Meßgenauigkeit, und zwar immer dann, wenn nicht eine absolute Messung der analogen Größe erforderlich ist, sondern die relative Änderung der analogen Größe in Bezug auf den zuletzt ermittelten Wert betrachtet werden solL In diesem Fall spielen nämlich die systematischen Fehler der Analog-Digital-Umsetzung deshalb keine Rolle, weil sie ja wegen ihrer systematischen Natur in beiden Meßwerten, gleichermaßen und in gleicher Höhe auftreten. Die Erfindung zeigt also ihre besondere Stärke bei der differentiellen Messung einer fortlaufenden Reihe von Weiten einer analogen Meßgröße.

Aber selbst dann, wenn eine Absolut-Messung in Betracht gezogen wird, bietet die Erfindung eine Lösung der gestellten Aufgabe, denn es ist dabei lediglich zu beachten, daß die Analog-Digital-Umsetzung zwar nur mit geringer Genauigkeit erfolgt, daß jedoch bei dieser Umsetzung durch geeignete Auswahl von Schaltungselementen die systematischen Fehler klein gehalten werden können.

Im Gegensatz zum Stand der Technik besteht also der Grundgedanke der Erfindung gerade darin, auch die gegenüber der Stellenzahl der den momentanen Wert der Meßgröße entsprechenden Digitalwörter überzähligen binären Stellen der die Summe bildenden Digitalzahl für das Meßergebnis auszuwerten, so daß hierbei nicht nur eine Mittelwertbildung ins Auge gefaßt wird, sondern vielmehr gerade die durch die größere Stellenzahl ermöglichte höhere Genauigkeit der Meßwertermittlung ausgenutzt wird. Die erfindungsgemäße Verfahrensführung unterscheidet sich also grundlegend von den ni:;h dem Stand der Technik üblichen Verfahren zur Mittelwertbildung.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Analog-Digital-Wandler und einem nachgeschalteten Addierer ist dadurch gekennzeichnet., daß an den Ausgang des Addierers ein die Ruckstellung des Addierers steuernder Verriegelungsspeicher angeschlossen ist.

Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt die einzige Figur eine Ausfflhrungsform eines Analog-Digital-Wandlersystems gemäß der Erfindung,

Das Analog-Digital-Wandlersystem wird unter Bezugnahme auf ein spezielles Beispiel beschrieben, bei dem es erforderlich ist, eine analoge Spannung alle 250 Mikrosekunden zu messen und ein digitales Signal zu erzeugen, das für die Energie des analogen Signals mit einem sehr hohen Genauigkeitsgrad repräsentativ ist

ίο Gemäß der Figur wird die analoge Spannung an eine Eingangsklemme 1 angelegt und mit einer Rate bzw. Folgefrequenz von 10 MHz mittels eines herkömmlichen Analog-Digital-Wandlers 2 abgetastet bzw. gemessen, der auf 8 Bit + ^lh Bit mit dem niedrigsten

is Stellenwert mißt. Der Analog-Digital-Wandler 2 erzeugt aufeinanderfolgende Digitalworte, die durch einen Addierer 3 kumulativ summiert werden. Dieser Addierer kann 2048 Werte addieren und die Summe besteht aus einer 19 Bit umfassenden Digitalzahl, mit einer willkürlich bzw, zufällig über de? 5 Bit mit dem niedrigsten Stellenwert verteilten Genauigkeit Die Digitalzahl wird durch einen Verriegelungsspeicher 4 zu einem Ausgangsanschluß 5 unter der Steuerung eines an den Anschluß 6 angelegten Signals geleitet der auch mit

2·) einem Taktgenerator 7 verbunden ist der den Intervallbetrieb des Analog-Digital-Wandlers 2 und des Addierers 3 über schematisch mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnete Leitungen zeitgemäß steuert Wird die Digitalzahl an dem Ausgangsanschluß 5 dargeboten, so

in wird ein Rücksetzimpuls zum Addierer über die Leitung 9 zurückgeleitet um den Addierer zurückzusetzen bzw. zu löschen, so daß der kumulative Summiervorgang von neuem beginnen kann. In manchen Fällen kann der Wert der abgetasteten bzw. gemessenen Analogspan-

ii nung sich nur sehr langsam verändern, wodurch sich wenige Überkreuzungen mit den Schweüwertpegeln in dem Analog-Digital-Wandler 2 ergeben. Dies kann beträchtliche additive Fehler über einen Zeitraum von 250 Mikrosekungen hinweg ergeb-sn und zur Verringern rung dieser Schwierigkeit kann eine Vorspann-Wechsel-Spannung an den Anschluß 10 angelegt werden.

Das am Anschluß 5 erzeugte Ausgangssignal stellt die Integration der analogen Spannung über aufeinanderfolgende Abtastperioden hinweg dar.

r, Wenn es wünschenswert ist beispielsweise anstelle der Spannung die Leistung zu integrieren, so wird der Analog-Digital-Wandler 2 an einen Funktionsgenerator 11 angeschlossen. Der Funktionsgenerator 11 besteht aus einer Festwertspeicher-Tabelle (ROM look-up

so table), die eine Umwandlung nach einem quadratischen Gesetz für jedes von dem Analog-Digital-Wandler 2 erzeugte Digitalwort bewerkstelligt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur digitalen Messung analoger Größen, bei dem die analoge Größe periodisch abgetastet und jeweils in ein entsprechendes s Digitalwort umgesetzt wird, und dann während einer vorbestimmten Zeitspanne die Digitalwörter zu einer Digitalzahl mit größerer Stellenzahl addiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stellen der Digitalzahl als Meßergebnis ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalzahl nach Beendigung der Addition wieder gelöscht wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Größe linear in ein Digitalwort umgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 odar 2, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Größe gemäß einer speziellen Funktion in ein Digitalwort ?n umgesetzt wird.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1—4, mit einem Analog-Digital-Wandler und einem nachgeschalteten Addierer, dadurch gekennzeichnet, daß 2S an den Ausgang des Addierers (3) ein die Rückstellung des Addierers (3) steuernder Verriegelungsspeicher (4) angeschlossen ist

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichn»t,daß der Analog-Digital-Wandler(2) so von einem Funktionsgenerator (11) gesteuert ist.