DE3038653C2

DE3038653C2 - Verfahren zur Umwandlung einer digitalen Eingangsinformation in eine analoge Ausgangsspannung

Info

Publication number: DE3038653C2
Application number: DE19803038653
Authority: DE
Inventors: Reinhardt Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 2000 Wedel Geisler
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1980-10-13
Filing date: 1980-10-13
Publication date: 1986-09-18
Also published as: DE3038653A1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es sind Schaltungsanordnungen bekannt, mit denen aus einem digitalen Eingangssignal in Form einer Impulsfolge ein analoges Ausgangssignal erzeugt wird, aus dem die Information gewonnen werden kann, die in dem Eingangssignal enthalten ist. Ein Beispiel hierfür ist die Signalverarbeitung bei einem zeitverschlüsselten Magnetometer. In der Diss, von G. Trenkler, Braunschweig 1968, Seite 69 und Bild 46, wird hierfür ein passiver Tiefpaß verwendet.

Diese bekannte Signalverarbeitung hat den wesentlichen Mangel, daß die Nuilpunktstabilität der unteren und der oberen Sättigungsspannung unzureichend und nur eine geringe Stabilität bei konstantem Testverhältnis vorhanden ist. Weiterhin entsteht ein höherer Schaltungsaufwand dadurch, daß zunächst eine digitale Auszählung und anschließend eine Digital/Analog-Wandlung vorgenommen werden muß, sofern ein Analogwert . benötigtjwird.

Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung aus der DD-PS 1 18 764 bekannt, die die unzureichende Amplitudenstabilität dadurch verbessert, daß ein Tiefpaßsiebglied während der Impulsdauer des Ursprungssignales mit einer Referenzspannung und während der Impulspause mit Massepotential verbunden wird. Bei Idealisierung der Schaltereigenschaften ist damit der am Tiefpaßausgang meßbare zeitliche Mittelwert dem Tastverhältnis proportional.

Durch diese Schaltungsanordnung kann bei geeigneter Auslegung eine Verbesserung gegenüber dem in der o. a. Dissertation angegebenen Verfahren erreicht werden. Nach wie vor verbleiben aber Nachteile, die die Stabilität der Wandlung negativ beeinflussen: Die Instabilitäten der Referenzspannung wirken während e'er gesamten Impulsdauer auf den Mittelwert am Ausgang des Tiefpasses ein und das Nutzsignal — die Änderungen in der Impulsbreite, d. h. im Tastverhältnis — bewirkt eine im Vergleich dazu nur kleine Änderung im Mittelwert am Ausgang des Tiefpasses.
Damit werden die Instabilitäten des Referenzelementes bzw. deren Differenzen bei Verv/endung von zwei Referenzelementen entgegengesetzter Polaritäten quasi verstärkt gegenüber dem Nutzsignal wiedergegeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch das die Pulslängeninformation ohne Verfälschung durch Instabilitäten der Amplituden des Ausgangssignales hochstabil in einen analogen Ausgangswert gewandelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe der im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung sind darin zu sehen, daß bei geringem Schaltungsaufwand eine hohe Wandlungsgenauigkeit, eine Unabhängigkeit von Amplituden-Schwankungen und eine Unterdrückung der Grundwelle des Eingangssignal erzielt wird. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. ί einen Pulslängen/Analog-Wandler in einer ersten Ausführung,

F i g. 2 den Signal verlauf am Wandler i. Ausführung,

F i g. 3 einen Pulslängen/Analog-Wandler einer zweiten Ausführung und

Fig.4 eine Schaltungsanordnung für ein Magnetometer.

Der Wandler nach Fig. 1 weist einen Komparator 1 auf, dem das Eingangssignal U, zugeführt wird. Er wird über sogenannte Strobe-Eingänge 2 und 3 ausgetastet. An den Komparator 1 sind Schalter 4 und 5 angeschlossen, von denen je ein Kontakt an eine negative Referenzspannung - Uref gdegt ist Den Schaltern sind Filter 6 und ein Subtrahierer 7 nachgeschaltet, von dem die Ausgangsspannung U_u abgenommen werden kann,
so Als Nutzsignal kann eine beliebige periodische Zeitfunktion gewählt werden, deren Frequenz bekannt ist, wie beispielsweise U₁.

Der Informationsgehalt des Nutzsignales ist in dem Verhältnis der zeitlichen Längen der positiven bzw. negativen Signalanteile enthalten, wie aus Fig. 2 Zeile 1 zu entnehmen ist. Hierin sind durch die ausgezogene und gestrichelte Linie die positiven und negativen Signalanteile angedeutet. Das Tastverhältnis soll entweder in der Nähe von 1 :1 sein oder durch Gegenkopplung auf 1 :1 gehalten werden.

Das Eingangssignal U₁ führt bei seinem Durchgang ' durch^Null zum Umschalten de|>, Komparators 1 nach Fig. Γ. Der Komparator hat in der dargestellten Ausführung zwei gegenphasige Ausgänge, an denen die Si-'gnale a und b auftreten. Wenn die Strobe-Eingänge 2 und 3 des Komparators 1 mit von der Grundfrequenz abgeleiteten Austastsignalen cund d beaufschlagt werden, werden aus den Signalen a und b die pulsförmigen

Signale e und /erzeugt Die Austastsignale cund c/sind in ihrer Breite und zeitlichen Lage so gewählt, daß die Flanken der Komparatorausgangssignale in den Pulsen von e und /enthalten sind. Die Schalter 4 und 5 werden mit den Pulsen e und /gesteuert, so daß sich die Pulse g und h ergeben. Nach ihrer Glättung durch die Filter 6 und der Differenzbildung im Subtrahierer 7 wird das Ausgangssignal LZ₃ erhalten. Der Mittelwert dieser Spannung, der das Tastverhältnis und damit die Information enthält, wird praktisch nicht von Amplituden-Schwankungen der beteiligten Signale beeinflußt- Weiterhin wird eine verbesserte Unterdrückung des Grundwellenanteils der Ausgangsspannung i/_a erzielt, die umso größer ist, je kurzer die Austastimpulse gewählt werden können.

In der Version nach F i g. 3 wird ein Komparator 8 mit einem Ausgang verwendet. Der gegenphasige Ausgang wird durch einen Inverter 9 erzeugt Die logischen Verknüpfungen im Block 10 sind vorgesehen, um extern eine Strobe-Funktion nachzubilden. Die von den Ausgangssignalen des Blockes 10 angesteuerten Schalter 11 und 12 haben jeweils eine eigene positive bzw. negative Referenzspannung. Die Ausgangssignale der Schalter werden in Filtern 13 geglättet und einem Summierer 14 zugeführt, der das Ausgangssignal U₃ ausgibt Die eingezeichneten Signale a bis f, h, U,- und U_a haben die in F i g. 2 dargestellte Form. Das Signal /' ergibt sich aus dem Signal g in F i g. 2, wenn die negative Referenzspannung durch eine positive Referenzspannung ersetzt wird.

Diese gegenüber dem Wandler nach F i g. 1 abgewandelte Form hat einerseits den Vorteil, daß der Abgleirh des Summierverstärkers unkritischer ist als der des Subtrahierers, andererseits jedoch den Nachteil, daß zwei unterschiedliche Referenzspannungen verwendet werden müssen. Diese Referenzspannungen müssen dem Betrag nach auch bei Temperaturänderungen weitgehend identisch sein. Im Wandler nach Fig. 1 ist dieser Gleichlauf durch Verwendung nur einer Referenzspannung sichergestellt

Ferner sind weitere Abwandlungen der Beispiele nach den F i g. 1 und 3 möglich, beispielsweise dadurch, daß der Austastimpuls auf die halbe Periodenlänge ausgedehnt wird, bzw. die Originalausgangssignale des Komparators zur Steuerung der Schalter verwendet werden. Damit ist zwar eine Unterdrückung des Grundwellenanteiles nicht mehr gegeben, daß Verfahren kann aber auch dann angewendet werden, wenn die Frequenz des Eingangssignales nicht bekannt ist.

Schließlich ist in F^;g. 4 die Anwendung der Schaltungsanordnung in einem Magnetometer gezeigt. Der Magnetfeldsensor 15 berteht aus einem Saturationskern SK und drei mit diesem verkoppelte Spulenwicklungen für die Vormagnetisierung VM, als Induktionswicklung IND und die Gegenkopplungswicklung GK.

Der Kern SK wird über eine Vormagnetisierungs-Endstufe 16 erregt, die ihrerseits von einem Frequenzgenerator 17 über einen Teiler 16 angesteuert wird. Das in der Induktionswicklung IND induzierte Signal gelangt über einen Vorverstärker 19 auf den Pulslängen/ Analog-Wandler 20, wie er in F i g. 1 ausführlich darge- > stellt wurde. Das Aüsgangssignal des Wandlers;20 wird in einem Regeiverstärker 21 verstärkt und anschließend zwecks Gegenkopplung über die Leitung 22 auf den Sensor 15 zurückgeführt. An einem Ausgangsverstärker 23 steht der Meßwert für ein äußeres Magnetfeld in Form einer Spannung zur Verfugung. Die Referenzspannung aus dem Block 24 wird für den Wandler 20 und für die Endstufe 10 verwendet De Teiler 18 liefert neben der Frequenz für die Vormagnetisierung auch die Austasisignale für den Wandler 20 über die Leitungen 25.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit kann in einem Analog-Multiplizierer gesehen werden, wie er im Buch Tielze und Schenk. »Halbleiter-Schaltungstechniku 1978, im Abschnitt 11.8.1 »Das Time-Division-Verfahren« beschrieben wird. Hier könnte durch Gegenkopplung das Tastverhältnis auf 1 :1 geregelt werden, wobei die Signalgewinnung im Regelkreis mit dem vorgeschlagenen Pulslängen/Analog-Wandler ausgeführt werden könnte. Damit ließe sich die Nullpunkt-Stabilität des Verfahrens wesentlich verbessern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Demodulation einer als Pulslängenmodu'ation codierten Information in eine analoge Ausgangsspannung durch Mittelwertbildung mit Hilfe eines Tiefpasses, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Flanke der die Information tragenden Impulse des impulsdauermodulierten Signales die zeitliche Lage der einen Flanke eines weiteren impulsdauermodulierten Signales bestimmt wird, während die zeitliche Lage der anderen Flanke dieses weiteren Impulses vorgegeben wird, so daß die mittlere Impulsdauer des weiteren Signales gegenüber der des eingangsseitigen impulsdauermodulierten Signales verringert wird und daß aus diesem weiteren impulsdauermodulierten Signal der Mittelwert zur Erzeugung des analogen Ausgangssignals gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß de pulsförmigen Signale durch einen oder mehrere Komparatoren (1) mit Strobe-Eingang (2,3) erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsförmigen Signale durch logische Verknüpfungen aus einem oder mehreren Komparatorausgängen erzeugt \s-erden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der pulsförmigen Signale durch Schalter und Referenzelemente stabilisiert werden.

5. Verfahrer, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige Referenzspannung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Ausgangsspannung durch Summen- oder Differenzbildung aus mehreren puisförmigen Signalen gewonnen wird.