-
Verfahren zur automatischen Monotoniefehlererkennung bei dcr
-
Analog-Digital-Umsetzung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
automatischen MGnotoniefehlererkennung bei der Analog/Digital-Umsetzung und eine
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Eine der schwierigsten und wichtigsten Notwendigkeiten bei der Analog/Digital-Umsetzung
ist die Prüfung und Uberwachung der geforderten Kennwerte. Hierzu gibt es eine Fülle
von mehr oder weniger umständlichen Meßverfahren, deren Schaltungen - in der Regel
aus Aufwandsgründen - nicht geeignet sind, sie in ein Gerät "A/D-Umsetzer" zu integrieren.
-
Außer der Auflösung, Genauigkeit und Umsetzgeschwindigkeit sind für
A/D-Umsetzung noch weitere statische als auch dynanische Kenngrößen von Bedeutung.
Fur die technisch leicht
durchfuhrbare bekannte Rampenprüfung eignen
sich vor allem diejenigen statischen Kennwerte, die die gesamte Kennlinie titer
den Aussteuerbereich beschreiben. Damit ist es möglich die Linearität zu erfassen,
die sich in drei weitere Parameter, die absolute Linearität, die differentielle
Linearität und die Monotonie aufgliedert.
-
Wohl die schwerwiegendste Abweichung bei der Linearitätsmessung stellt
die Nichtomonotonie innerhalb bestimmter Kennlinienabschnitte dar. In Fig. 6 ist
eine Original-Rampe mit Knick wiedergegeben, aus der die Monotonie bzw. Nichtmonotonie
anhand einer geknickten, A/D-gewandeltn Testrampe zu erkennen ist. Die Nichtmonotomie
führt zu den sogenannten "Missing Codes-Fehlern" der A/D-Umsetzung. Durch diese
Fehler wird die gewandelte Information erheblich verfälscht, d. h., dem Nutzsignalspektrum
wird ein starkes Klirrspektrum überlagert.
-
Erfahrungsgema'ß kommen solche gravierenden Fehler bei komplexen ADU-Systemen
haufig durch den Ausfall eines Kennlinienelementes, z. B. Komparators, oder durch
weggedriftete Verstärkungs-und Lffseteinstellungen einzelner Wandlungsteilbereiche
zustande.
-
Die Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren anzugeben, mit dessen
Hilfe ein Monotoniefehler erkannt werden kann. Die Aufgabe wird nach der Erfindung
durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
-
In der Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild der automatischen Mcnotoniefehlererkennung
dargestellt. Ein Analog-Digital-Umsetzer 1, der eine Ablaufsteuerung 2 enthält,
auf weiche die Betriebrzustände gegeben werden, besitzt einen Eingang 3, über den
das Betriebssignal eingegeben wird. Uber ein Relais 4 gelangt entweder das Betriebssignal
oder das Testsignal von einem Prazisionsrampengenerator 5 in den Analog-Digital-Umsetzer
1. Von der Ablaufsteuerung werden in den Präzisionsrampengenerat'r Start- und Stopsignale
gegeben. Außerdem wird von der Ablaufsteuerung die Zeitbasis to auf einen Monotoniefehlerauswerteteil
6 gegeben. Dieser Monotonietehlerauswerteteil 6 ist programmierbar. Vom Ausgang
des Analog-Digital-Umsetzers 1 wir das Parallel-Wort auf seinen Ausgang 7 und das
Test-Wort auf den Monotoniefehlerauswerteteil gegeben. Vom Ausgang 8 des Monotoniefehlerauswerteteils
6 wird der Monotoniefehler zu einer Anzeige bzw. zu einem Rechner geführt.
-
In Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild des Präzisionsrampengenerators
5 dargestellt. Der Präzisionsrampengenerator 5 besteht aus einem löschbaren Synchronzähler
9, auf den der Zähltakt T und der Löschtakt Tcl gegeben werden. Mit dem Synchronzähler
9 ist ein Präzisions-Digital-Umwandler lo verbunden, auf den die digitale Rampe
gegeben wird. Von ihm wird die analoge Treppenfunktion auf den Digital-Analog-Umsetzabtaster
11 gegeben, der im weiteren als Deglitcher bezeichnet wird. Ihm wird der Abtasttakt
Tab eingegeben. Über einen Tiefpassfilter 11 wird die Testrampe dem Analog-Digital-Umsetzer
zugeleitet.
-
In Fig. 5 ist dar Prinzipschaltbild des Monotoniefehlerauswerteteils
6 dargestellt. Es besteht aus einem Speicher- und Rechenteil 13 und rinem statistischen
Auswertsteil 14. Im opeicher-und Rechenteil 13 sind enthalten: ein Register 15,
ein Summierer 16 und ein Dual-Gray-Wandier 17. Auf das Register 15 wird der Rrgistertakt
TR gegeben. Das Wort Xn von Analog-Digital-Umsetzter 1 wird einmal direkt auf den
Summierer 16 und einmal über das register 15 auf den Summierer 16 gegeben. Vom Regiroter
15 gelangt es in deL Form Xn-1 auf den summierer 16, der es in der Form Yn auf den
Dual-Gray-Codewandler 17 gibt. An diesem sind auswählbare Gray-Codestellen 18 angeschlossen,
von denen das Wort in der Form Yn * auf den statistischen Auswerteteil 14 gegeben
wird. Tm statistischen Auswerteteil 14 ist ein digitaler Integrator 19 enthalten,
auf den der Zähltakt Tz geleitet wird. Mit dem Ausgang der digitalen Tnteg.ators
19 ist die Schwelle 20 verbunden. Die Schwelle 20 ist frei programmierbar. Von ihr
wird der Monotoniefehler der Anzeige bzw. einem Rechner zugeleitet.
-
In Fig. 4 ist der Dual-Gray-Code-Umsetzer 17 mit seinen Gattern 21
dargestellt.
-
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für den digitalen Integrator
19 angegeben. Als Beispiel ist eine 8-Bit Integration dargestellt. Außerdem ist
in dem Ausführungsbeispiel die programmierbare Schwelle 20 enthalten. Der digitale
Integrator enthält frei programmierbare 4-Bit Zähler 22 und 23. Die programmierbaren
4-Bit Zähler 22 und 23 sind mit einem 16-poligen Digitalschalter 24 verbunden. Von
der ausgewählten Gray-Code-
Stelle gi wird der Zähltakt auf die
programmierbaren 4-Bit Zahler gegeben. Der Ausgang 25 des 4-Bit Zählers 23 ist mit
der Anzeige bzw. dem Rcchner verbunden. Bei einem Überlauf erfolgt über ein Gatter
26, auf das auch die Zeitbasis to über den Eingang 27 gegeben wird, die Zurücksetzung
des Integrator3.
-
Fiir diese Mvnotonieprüfung, Fig. 1, werden nach Fig. 6 besondere
Testsignale, eine oder mehrere linesre Rampen mit einer bestimmten Anstiegs- bzw.
Abfallrate benötigt. Diese Anstiegrate d U Rampe/dt wird so gewählt, daß der Wert
xn des n-ten ADU-Ausgabewortes sich maximal zulässig nur um ein ADU-Inkrement q
(LSB) bezüglich des vorangegangenen Wertes Xn-1 ändern darf. Mit q =#Xmax 2-N, wobei
Xmax ~ E/max - Emin/ der volle Aussteuerbereich und N die Bitzahl (Auflösung) des
ADUs darstellen, lautet damit die Bedingung fiir die Testrampen in Abhängigkeit
der Umsetzrate FUm : dU Rampe/dt # q . fUm Die Umsetzrate fUm muß dabei keineswegs
dem Kehrwert der A/D-Umsetzzeit Tum entsprechen. Bei ADUs mit k-facher Zwischenspeicherung
beträgt sei z.B.: fUm # k . 1/T Außer dieser Zeitbedingung für die Testrampen unterliegen
sie noch einer Amplitudenbedingung. Um den gesamten Kennlinienbereich auf Monotonie
überwachen zu können, sollte die Amplitude der Rampe den vollen Aus steuerbere ich
des ADUs abdecken.
-
Dieses im Präzisions-Rampen-Generator, Fig. 1 und 2, erzeugte Signal
wird an den A/D-Umsetzer 1 geliefert, dort gewandelt, um dann als digitale Information
dem Monotoniefehler-Auswerteteil 6, Mg. 3, zugeführt zu werden. Dabei iibernimmt
die Ablaufsteuerung 2 des ADUs die Synchronisation des Prüfablaufes.
-
Der Auswerteteil der automatischen Monotoniefehlererkennung hat nun
die Aufgabe festzustellen, in welchem Umfange sich der Wert des Rampenwortes xn
vom Wert des vorangegangenen Rampenwortes Xn1 unterscheidet. Dazu wird im Speicher
das vorangegangene Signal xn-1 einen Umsetztakt lang abgespeichert, um dann vom
Signal Xn im Rechenteil subtrahiert zu werden. Ist der Unterschied =/xn - xn-1/
> q, so bedeutet la3, daß bereits ein Monotoniefehler mit der Größe Zn = Yn -
q vorliegt.
-
Da nun in der Regel bei der Subtraktion das Ergebnis sowohl positive
als auch negative Werte annehmen kann, ist ein direkter Vergleich mit einer nachfolgenden
Schwelle 20 nicht möglich. Diese Schwierigkeit wird dadurch umgangen, indem das
Substraktionsergebnis Yn mittels eines Codeumsetzers, Fig. 4, vom Dualcode n in
den Gray-Code uns übergeführt wird.
-
Durch diese Darstellung der Dualinformation Yn im Gray-Code mit seiner
verschachtelten Betragsstruktur
# = Modulo-Addition,
wird die eigentlich notwendige und aufwendige
Betragsbildung durch die wesentlich einfachere Gray-Code-Umsetzung ersetzt.
-
Für die Weitergabe des Mehrbit-Fehlers in der Form einer Finbit-Fehlermeldung
muß jetzt das Gray-Code-Wort Yn* einer programmierbaren Prioritätsabfrage, Fig.
3, unterzogen werden.
-
D. h., der Anwender kann die maximale Stellenwertigkeit des Monotoniefehlers
durch Ausloten der entsprechenden Gray-Code-Stellen gi selbst finden, bzw. die für
sein System maximal zu erwartende Monotoniefehlergrenze frei programmieren.
-
Erfahrungsgemäß hat sich aber bei hochauflösenden ADU-Systemen gezeigt,
daß so noch nicht das Optimum der Monotoniefehlererkennung erreicht werden kann.
Das Eigenrauschen des ADUs sowie sporadische Systemstörungen hoher Intensität verfälschen
die Monotonieprüfergebnisse.
-
Um dies zu vermeiden, wird eine einfache statistische Quswertung,
d. h. eins arithmetische Mittelung des Fehlers gi nach der Prioritätsabfrage, Fig.
3 und 4, auf der Basis einer digitalen Integration und eines Schwellenvcrgleichs
vorgenommen.
-
Damit kann die Monotoniefehlererkennung mit der.Fehlerdarstellung
zn,
und 1. = 1, 2, 3...to, der frei programmierbaren Schwelle 20 und der Integrationszeit
basis to optimal auf Einzelstörungen und auf das Systemrauschen eingestellt werden.
-
Da hohe Stabilität und Linearitüt vom Testsignalgenerator gefordert
wird, ist es zweckmäßig, ihn mit einem Präzisions-D/A-Umsetzer 10 in Verbindung
mit einem Synchronizähler s entsprechender Bitzahl und einem Tiefpaßfilter 12 am
Analogausgang aufzubauen. Außerdem kann zur Elimination der Übertragungsspikes im
D/A-Ausganssignal ein sogenannter "Deglitcher" 11 in bestimmten Fallen notwendig
werden.
-
Obwohl der rein digitale Auswerteteil wesentlich mehr Funktionen als
die Testsignalerzeugung ausführt, ist er in der technischen Realisierung unproblematischer
und mit den gegenwärtig verfügbaren MSI und LSI-Schaltkreisen klein und kompakt
aufzubauen.
-
Um eine optimale Lösung mit minimalem technischen Aufwand zu erreichen,
werden noch zwei Schaltungshinweise, die den Dual-Code-Umsetzer und den Integrator
mit Schwelle betreffen, gegeben.
-
Der Dual-Gray-Code-Umsetzer, Fig. 4, kann sehr einfach aus Exclusive-OR/NOR-Gattern
aufgebaut werden. Unter Verwendung von programmierbaren 4 bit-Zählerschaltkreisen,
z. B.: der Type "193" bilden der Integrator 19 und die Schwelle 20, Fig. 5, eine
Einheit. Die Integration- und Schwellenfunktionen werden dadurch erreicht, daß der
Zähler ab einem ein gestellten Anfangszustand alle einlaufenden Fehler gi solange
zählt, bis er an seinem Zählbereichsende angelangt ist.
-
Hier setzt er sicautomatisch durch Seinen Bereichsüberlaufimpuls
auf
den programmierten Anfangszustand zurück. Sin Bereichsüberlaufimpuls stellt damit
gleichzeitig die gewünschte Fehlermeldung Zn dar. Durch den Integratorzurücke3etzungsimpuls
Tc1 wird unabhängig vom Momentanzustand der Schaltung die Zeitbasis der Integration
kontrolliert.
-
Diese Monotoniefehler, die sich aus der differentiellen Linearität
ableiten und dadurch gesamtoffsetungabhängig sind, lassen sich leicht durch das
neue Prüfverfahren auf der Basis eines Rampentests. erfassen.
-
L e e r s e i t e