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Verfahren und Anordnung zur schnellen hochauflösenden
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Analog/Digital-Umsetsung mit seibRtändiger Korrektur Die Erfindung
betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Verfahren sind
bekannt (vgl. "Elektroniker" (CH), 1978, Heft 6, S. EL 14 - EL 19; "Electronics",
1976, 2. Sept. S. 89 - 93).
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Jeder reale Analog/Digital-Umsetzer (ADU) besitzt außer dem Quantisierungsrestfehler,
der durch die quantisierungsbedingte Kennlinienstufung hervorgerufen wird, noch
weitere systematische und temperaturdriftabhängige Kennlinienfehler.
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Ohne entsprechende Korrekturverfahren ist nun bei sehr schnellen und
zugleich hochauflösenden Umsetzern, wie sie zur Signalverarbeitung im Hochfrequenzbereich
- über 12 bit Auflösung bei Umsetzraten weit über 1 NHz - Anwendung finden, nicht
auszukommen.
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Bei den bekannten, adaptiven Verfahren werden während einer kurzen
Betriebsunterbrechung deterministische Testsignale, z. B. Referenzspannungen oder
lineare Testrampen, über ein
Relais oder einen Halbleiterschalter
an den zu prüfenden ADU gelegt, dort A/D-gewandelt und dann einem digitalen bzw.
analogen Ist/Soll-Vergleich unterzogen. Aus dem Ergebnis des Vergleichs werden dann
durch eine weitere Signalverarbeitung Korrekturwerte gewonnen und abgespeichert.
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Allgemein können die Korrekturwerte vor dem ADU über einen Analogaddierer
zu dem analogen Eingangssignal (zeitkritisch) oder vorteilhafter nach dem ADU über
einen Digitaladdierer zu dem digitalen Ausgangssignal hinzugefügt werden. Ein solches
bekanntes typisches Korrekturverfahren mit einem Mikroprozessor (/uP) ist in FIG.
1 dargestellt.
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Bei. diesem Verfahren sind zum Austausch der Testdaten zwischen /uP
und ADU über den Rück-DAU und über das Relais Unterbrechungen des ADU-Normalbetriebes
notwendig. Während der Errechnung der Korrekturwerte w. im /uP kann im allgemeinen
der Normalbetrieb wieder aufgenommen werden. Demnach fallen dem /uP in einem solchen
System drei Aufgaben zu: 1. Er generiert die Testdaten yj, die er über den bidirektionalen
/uP-Daten-Bus an den Rück-DAU liefert. Durch die Rückwandlung erzeugt damit dann
der DAU das gewünschte analoge Testsignal Y(t) 2. Die dann D/A- und A/D-gewandelten
Daten yi holt der /uP sich über Register 1 wieder vom ADU zurück, berechnet jetzt
daraus die Korrekturwerte w. und stellt sie im RAM J für die späteren Korrekturadditionen
im ADU-Normalbetrieb bereit.
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3. Uber den Steuer-Bus und Status-Bus führt er die übergeordnete Steuerung
aller am Korrektursystem beteiligten Funktionsgruppen aus. Dazu gehören auch die
"Hand-Shake-Takte" für den Datentransfer auf dem bidirektionalen /uP Daten-Bus.
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Bei diesen Verfahren wird die erreichbare Genauigkeit und Stabilität
der Korrektur nur durch den Rück-DAU begrenzt.
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Ir ist das Genauigkeitsreferenseleent des Systems.
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Außer dem nichtunterbrechnungsfreien Betrieb lasten lae diesen bekannten
adaptiven Systemen noch weitere typische Nachteile an. Zur Gewinnung einer notwendig
großen Zahl von Testwerten - hochauflösende ADUs besitzen einen entsprechend großen
Kennlinienpunktesatz - sind für das System entweder wenige Unterbrechungen von langer
Dauer oder sehr viele Betriebsunterbrechungen von kurzer Dauer notwendig. Die Normalbetriebszeit
eines ADUs wird also durch die Summe der Anliogezeiten der Testsignale erheblich
gekürzt. Für viele Anwendungen im HF-Beroich, die einen kontinuierlichen ADU-Betrieb
erfordern, ist dieses Verfahren nicht brauchbar.
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Außerdem steigt hier der "Soft-w«re-Aufwand" für den fUP, um eine
genügend feinstrukturierte ADU-Korrektur zu ermöglichen, beträchtlich an.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur unterbrechungsfreien
Selbstkorrektur von statischen Kennlinienabweichungen bei schnellen A/D-Umsetzern
anzugeben, das sich besonders durch seine Fähigkeit, Offset- und Verstärkungsfehler
der Kennlinienfeinstruktur bis zum niederwertigsten Bit (LSB) des ADUs hinunter
voll zu korrigieren, auszeichnet.
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Jede durch einen Temperaturgang oder Alterung hervorgerufene Änderung
von Kennlinienparametern wird somit selbständig ausgeregelt. Ebenfalls stellt gegenüber
herkömmlichen, adaptiven Verfahren der unterbrechungafreie Betrieb eine entscheidende
Neuerung dar.
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Die Erfindung ist im Anspruch 1 beschrieben.
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Anspruch 2 beschreibt eine günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Die Ansprüche 3 bis 7 beschreiben vorteilhafte Anordnungen zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der FIG. 2 bis 7, welche Anordnungen
gemäß den Ansprüchen 3 bis 7 zeigen, näher erläutert.
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Gegenüber den bekannten Verfahren dient in FIG. 2 das analoge Eingangssignal
X(t) während des ADU-Betriebes zeitweise als systeminternes Testsignal. Dabei wird
die Erfassung des Eingangssignales X(t) als statistisches Testsignal nach dem gemeinsamen
Abtastkreis AHK1 durch einen Referenz-A/D-Umsetzer ADU2 vorgenommen.
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Für die erreichbare Genauigkeit und Stabilität des Korrekturverfahrens
stellt dieser ADU2 das Genauigkeitsreferenzelement des Systems dar. Dafür werden
aber nur sehr geringe Anforderungen an seine Umsetzgeschwindigkeit gestellt. Während
der Hauptumsetzer ADU1 z. B. mit Umsetzzeiten von wenigen 100 ns arbeitet, kann
der Referenzumsetzer ADU2 mit nur einigen 10 Hz-Umsetzraten betrieben werden.
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Der ADU2 entnimmt mehr oder weniger sporadisch durch AHK1 über AHK2,dem
Eingangssignal X(t) Amplitudenstichproben und setzt diese Proben in die Binärsollwerte
y um. Das Gleiche führt der ADU1 zum Zeitpunkt j ebenfalls aus und liefert somit
die Binäristwerte x;.
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3 Damit beim Sammeln der Amplitudenstichproben durch AHK2 und ADU2
keine zufälligen Synchronismen (Schwebungen) zwischen Eingangssignal X(t) und dem
Abtasttakt TS2 auftreten können, sollte das Frequenzverhältnis zwischen TSl und
TS2 zeitlich variabel gemacht werden.
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Dagegen müssen die Triggerzeitpunkte der Takte TS1 und TS2 zueinander
in einem synchronen Raster liegen, um die richtige zeitliche Zuordnung der Testdaten
x. von ADU1 und y.
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j j von ADU2 für die weitere Verarbeitung zu gewährleisten.
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Ebenfalls aus diesem Grunde muß die lange Umsetzzeit von ADU2 gegenüber
ADU1 durch ein erstes Register, (Reg 1) ausgeglichen werden.
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Mit dem über das Register 1 gleichverzögerten Istwert x.
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J und dem Sollwert Yj wird nun am ersten Digital-Addierer I die Differenz
d.
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3 dj = yj - xj gebildet und für anschließende, adressenspezifische,
gleit tende Mittelung im Mittelwert-Rechner MWR der Adresse b.1 (bj # xj) zugeordnet.
Unter Verwendung des Binärcodes x der Länge N [bit]
mit 1 = 0, 1, 2, ,.., N-1 (Binärstellenindex) werden die Adressen a den Werten x
zugeordnet und b den Werten d zugeordnet und durch Abspalten von zusammenhängenden
MSB-Stellen der Länge n # N a = b = int (2n . x) aus den Ausgangswerten xi bzw.
xj des ADU1 gebildet, wobei die Abkürzung "int" für ganzzahlig steht. Diese Adressenindizierung
ist nicht nur für die spezifische Mittelwer-tbildung aus der Differenz d zur Berechnung
der Korrekturwerte w, sondern auch zum Lesen bzw. Schreiben der Korrekturwerte w
in das RAM bzw. aus dem RAN notwendig.
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Da die Differenz d aus Werten erfolgt1 die von zwei dynaj misch völlig
verschiedenen ADUs stammen, muß sich zur Unterdrückung von dynamischen Fehlern und
von Rauschen sowie von Schwebungen des Korrekturwertes innerhalb des Adressenbereiches
eine Glättung bzw. Mittelwertbildung anschließen.
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Diese gleitende Mittelwertbildung zur Gewinnung der Korrekturwarte
wb j kann mittels der Gleichung
db mm (b = Adressenindex, j = Zeitindex) oder der Rekursion
ausgeführt werden, wobei die Mittelung sich effektiv über M-Werte erstreckt. Diese
Mittelwertbildung ähnelt der Wirkung eines einfachen Tiefpasses, nur mit dem Unterschied,
daß die Wertezugänge nicht regelmäßig erscheinen. Die Zugangshäufigkeit zu den einzelnen
Adressenwerten b. hängt von der Amplitudenverteilung des zu wandelnden Signales
X(t) ab. An den Rändern des Korrekturbereiches wird sie normalerweise geringer sein.
Daher dauert das Einschwingen der Korrekturwerte nach dem Einschalten des A/D-Umsetzers
an den Rändern LÄnger.
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Zur technischen Durchführung der Mittelwertbildung kann sowohl eine
digitale Rechenschaltung als auch ein Mikroprozessor (ein chip) verwendet werden.
Zum Speichern des Korrekturwertesatzes kommt man in der Regel mit einer RAM-Größe
von C 100 Bytes aus, da pro Adressenwert b bzw. a nur ein Korrekturwert wb bzw.
w vorliegt. Dagegen muß der Lesea Schreibzyklus des RAMs innerhalb der kurzen Abtastperiode
von TS1 des ADUl liegen.
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Erfahrungsgemäß hat sich nun gezeigt, daß schnelle ADUs strukturbedingt
vor allem ungenaue "Bitgewichte" hesitzen, die von den höchstwertigsten Bitstellen
(MSB-Stellen) ihres Ausgabecodes hervorgerufen werden.- In FIG. 4 ist dieser Sachverhalt
für die ersten drei hochwertigen Bits einer ADU-Kennlinie angenommen. In diesem
Falle beschränkt sich die ADU-Korrektur z=x+w am zweiten Digital-Addierer II nur
auf n 2 3 binäre Adressenstellen und kann mit. kN niederwertigen Bits ausgeführt
werden. Das bedeutet, daß der im RAM abzulegende Korrekturwertesatz wesentlich kleiner
ausgelegt werden kann als dies dem Wertesatz des hochauflösenden ADUs entspricht.
Damit ist für das RAM und für den Nittelwert-Rechner MWR eine entscheidende Aufwandreduzierung
gegeben.
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FIG. 3 zeigt schematisch den Ablauf der Korrektur und Korrekturwertbereitstellung.
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Bei dem Korrektursystem nach FIG. 2 (entsprechend Anspruch 3) wird
ein langsamer Referenz-A/D-Umsetzer ADU2 mit einer Genauigkeit benötigt, die gleich
oder besser ist als das Korrekturziel, den schnellen ADU1 bis auf LSB-genau zu linearisieren.
Diese Schwierigkeit kann durch eine Variante, dargestellt in FIG. 5, mit einem zusätzlichen
Verstärker und einem Rück-Digital/Analog-Wandler, DAU, umgangen werden.
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Die Addition am Punkt III wird hier analog: d(#) = y(#) - x(#) , (#
= Zeitvariable des Zweiges) ausgeführt. Ein anschließender Verstärker verstärkt
das Differenzsignal d(<) soweit, daß damit ein nachfolgender,
langsamer
A/D-Umsetzer ADU2 voll ausgesteuert werden kann.
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In diesem Fall benötigt der ADU2 nur eine Genauigkeit und Auflösung,
die dem geringen Wortumfang von k-Bits des Korrekturwertes w. entspricht. Dafür
gilt jetzt als Bezugselement für die erreichbare Güte des Systems der neu hinzugekommene
Rück-DAU und nicht mehr ADU2. Da in dem Korrekturzweig über AHK2, Summation III,
Verstärker V, ADU2, MWR und RAM nur mit sehr geringen Taktraten gearbeitet wird,
sind an den Rück-DAU auch keine besonderen Geschwindigkeitsanforderungen zu stellen.
Der Rest des Systems nach FIG. 5 stimmt weiterhin mit dem Korrektursystem nach FIG.
2, einschließlich der digitalen, LSB-seitigen Korrekturaddition im Punkt II des
Korrekturwertes w. der Länge kN N Ebitj überein.
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Einen technologisch bedingten Engpaß kann bei sehr schnellen A/D-Umsetzern,
FIG. 2 und 5, der RAM-Spei cher darstellen Wenn der Zeitbedarf seines Schreibe-Lesevorganges
größer wird als die Umsetzdauer bzw. Wortperiode des schnellen ADU1, ist eine exakte
Korrektur der Werte x. zeitweise nicht mehr gegeben. Die Anordnung nach FIG. 6 mit
zwei RAMs im Multiplexbetrieb schafft Abhilfe. Hierbei wird durch den Mu]<tiplextakt
TUX bzw. TUX jeweils nur eines der beiden RAMs während der langen Dauer der Korrekturwerte-Anliegezeit,
die durch den MWR bestimmt wird, auf Lesen und das andere RAM auf Schreiben geschaltet.
Für das Einschreiben eines Korrekturwertes w. in das entsprechende RAM steht unter
Umständen 3 fast die gesamte Zeitdauer von TS2 zur Verfügung. Dagegen muß das Auslesen
eines Korrekturwertes w aus dem anderen RAM innerhalb der Wandlungsdauer von ADU1
weiterhin geschehen.
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Bei manchen Anwendungsfällen ist ein schnelles Erstellen des Korrekturwertesatzes
w beim Einschalten des ADU-Systems
erforderlich. Es wurde oben
darauf hingewiesen, daß die Berechnungszeit der Werte w durch die adressenspezifische,
gleitende Mittelung im MWR nicht nur von der Länge M der Differenzwertfolge dj und
der Umsetzrate des Referenzumsetzers ADU2, sondern auch von der Amplitudenstatistik
des Eingangssignales X(t) abhängt.
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Bei der Kennlinienmitte für den Adressenumfang 2n tritt die kürzeste
Einschwingzeit auf. Für das Beispiel mit 2n = 6, M = 10 und TS2 = 50 Hz geht pro
Adresse a etwa sekündlich ein dj-Wert der Mittelung zu. Daher ist der eingeschwungene
Zustand für die Kennlinienmitte nach ca. 10 s erreicht.
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Dagegen kann das Einstellen der Korrekturendwerte an den ADU-Aussteuergrenzen
wesentlich länger dauern. Um diese Einschwingzeiten zu verringern, wird in einer
Weiterbildung der Erfindung eine Amplitudenregelung des Eingangssignales X(t) durch
einen steuerbaren Vorverstärker vorgenommen.
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Durch diese Amplitudenregelung bleibt die Kurvenform des Eingangssignals
erhalten; der absolute Zusammenhang zwischen den Amplituden des analogen und des
digitalen Signales besteht jedoch nicht mehr. Gemäß FIG. 7 wird im folgenden die
Funktionsweise beschrieben.
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Ein Ubersteuerungsdetektor, der z. B. aus einem betragsbildenden Verstärker
und einem Komparator bestehen kann, liefert Impulse, die jeweils die momentanen
Aussteuerbereichsüberschreitungen des Signales X(t) signalisieren. Zur Gewinnung
der Regelspannung UReg werden diese Impulse durch einen Integratorverstärker in
eine Gleichspannung Ux umgesetzt und mit einer einstellbaren Sollwert-Referenzspannung
UR verglichen. Mit der so gewonnenen Regelspannung UR wird die Verstärkung des Eingangssignales
X(t) am steuerbaren Verstärker derart geregelt, daß eine ausreichende
Amplitudenhäufigkeit
der Signalamplituden x(t) für die ADU-Aussteuerung vorliegt. Das ADU-Korrektursystem
kann jetzt unabhängig von den wahren (t) x(t)-Amplituden immer voll ausgesteuert
werden. Die Integrationszeit < des Integrators muß natürlich für eine genügend
lange Regelungszeit bemessen werden.
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Für die Funktionsweise dieser Regelschleife ist die technische Realisierungsart
weitgehend belanglos. Hier wurde eine Version mit analogen Baugruppen angenommen.
Ebenfalls ist eine digitale Lösung mit Zählern, Logikschaltungen und digitalprogrammierbaren
Verstärkern möglich. In diesem Fall kann die Signalisierung von Aussteuerbereichsüberläufen
zur Gewinnung der Regelgröße U auch selbst von dem ADU-System als Digi-Reg talsignal
geliefert werden.