DE3207093A1

DE3207093A1 - Schaltungsanordnung zur mittelwertsbildung

Info

Publication number: DE3207093A1
Application number: DE19823207093
Authority: DE
Inventors: Matthias R. Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Risch
Original assignee: KOLLSMAN SYSTEM TECHNIK GmbH
Current assignee: KOLLSMAN SYSTEM TECHNIK GmbH
Priority date: 1982-02-27
Filing date: 1982-02-27
Publication date: 1983-09-15

Description

Schaltungsanordnung zur Mittelwertbildung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung eines Mittelwertes aus in zeitlicher Reihenfolge anfallenden Meßwerten, wobei Ansprechschwelle und Ansprechzeit des gemittelten Meßwertes jeweils im Takt der Meßwertabtastung an die Meßgröße angepaßt werden.
Bei der Meßwerterfassung und -verarbeitung stellt sich ganz allgemein das Problem der Rauschunterdrückung, da praktisch jede Messung mit statistischem Rauschen behaftet ist. Eine seit langem bekannte Möglichkeit zur Unterdrückung dieses Rauschens ist das Mitteln von mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen. Dadurch wird die vom Rauschen begrenzte Ansprechschwelle verbessert (erniedrigt), andererseits aber die Ansprechzeit verschlechtert (verlängert). Es muß daher bei Meßsystemen immer ein Kompromiß zwischen Ansprechschwelle einerseits und Ansprechzeit andererseits gefunden werden.
Zur dynamischen Anpassung dieses Kompromisses zwischen Ansprechzeit und Ansprechschwelle an den Meßwert sind zahlreiche Lösungen bekannt, die als ~gewichtete Mittelung", "rollende Mittelung" oder mit ähnlichen Namen bezeichnet werden. Meistens handelt es sich dabei um Abwandlungen oder Sonderausführungen von digitalen oder analogen rekursiven Filtern.
Falls die Koeffizienten des rekursiven Filters selbst veränderlich sind, so handelt es sich um adaptive rekursive Filter. Diese Filter haben aber den Nachteil, daß die Änderung der Koeffizienten mit der Änderung des Meßwertes wiederum mit einer meistens langen Ansprechzeit erfolgt.
Die Erfindung liegt demgemäß die Aufgabenstellung zugrunde, statt eines starren Kompromißwertes einen sich dem Meßwert automatisch und schnell anpassenden Kompromißwert zu erzielen. Dieser Kompromißwert beinhaltet bei großen Meßwerten, wo die Ansprechschwelle relativ uninteressant ist, kurze Ansprechzeiten (bei schlechterer Empfindlichkeit), aber bei kleinen Meßwerten eine kleine Ansprechschwelle (bei entsprechend längerer Ansprechzeit). Damit soll statt eines starren ein flexibler, auf den jeweiligen Meßwert angepaßter Kompromißwert erreicht werden.
Dabei soll die Anpassung der Meßwertauswertung an die jeweils aktuelle Größe #des Meßwertes möglichst sofort erfolgen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im folgenden beschriebene Anordnung von Schaltungselementen gelöst. Es erfolgt eine sofortige Anpassung der Meßwertauswertung, gesteuert durch die absolute Größe des jeweils aktuellen (zeitlich letzten) Meßwertes. Dazu wird der Meßwert mit einem vorgegebenen Takt abgegriffen, ggfs. in digitale Information gewandelt und einem Schreib-Lese-Speicher zugeführt, in dem die zeitlich letzten (vorzugsweise 2N) Meßwerte abgespeichert werden. Nach jeder neuen Meßwertabtastung wird der Speicher aktualisiert. Das geschieht in einer vorgeschlagenen Ausführung durch Umspeicherung aller Meßwerte (um jewe'ils einen Speicherplatz) nach jeder neuen Messung; in einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung durch Inkrementieren eines Zeigerzählers, der den jeweils zuletzt beschriebenen Speicherplatz angibt.
Die Erfindung erlaubt die dynamische sofortige Adaption des Mittelungsprozesses auf den jeweiligen aktuellen Meßwert dadurch, daß aus dem jeweiligen zeitlich letzten Meßwert eine Steuergröße gewonnen wird, die angibt, aus wie vielen der abgespeicherten 2N zeitlich letzten Meß- werten durch Summierung und Division, also durch Mittelung, der gemittelte Meßwert gewonnen werden soll.
Wie noch näher erläutert wird, zeichnet sich eine derartige Vorrichtung zur Mittelwertbildung durch einen sich mit dem Meßwert anpassenden Kompromiß zwischen Empfindlichkeit und Ansprechzeit der Messung sowie eine bestmögliche Unabhängigkeit von störenden äußeren Einflüssen, z.B. Rauschen, aus.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im Zusammenhang mit der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele näher ererläutert.
In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine Schema-Darstellung der wesentlichsten elektrischen Schaltungselemente eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Mittelwertbildung; Fig. 2 eine Schema-Darstellung der elektrischen Schaltungselemente eines zweiten Ausführungsbeispieles zur Mittelwertbildung; Fig. 3 eine Schema-Darstellung von einer Variante des zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung.
In dem ersten vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel wird der Meßwert (in digitaler, binärer Form) einem Schreib-Lese-Speicher (1) und einem Inverter (2) zugeführt, der den Absolutwert des Meßwertes bildet und den Meßwert invertiert, so daß aus einem großen absoluten Meßwert ein kleiner Wert erzeugt wird und umgekehrt. Der damit erhaltene Wert kann einer Rundung unterworfen werden, die z.B.
aus dem Weglassen der letzten binären digitalen Stellen durch die Anordnung besteht. Im Extremfall kann ein einziger binärer Wert entstehen (0 oder 1). Der so entstandene Wert wird einmal einem Zähler (vorzugsweise ein Rückwärtszähler) (3) und einem Speicher (4) zugeführt.
In einem Volladdierer (5) werden sodann so viele Werte aus dem Speicher (1) addiert, wie der Zähler (3) angibt.
Das führt dazu, daß im Speicher bei einem großen Meßwert entsprechend wenige Werte addiert werden, bei einem kleinen Meßwert entsprechend viele.
Nach erfolgter Addition wird der erhaltene Wert einem Dividierer (6) zugeführt, wo der erhaltene Wert durch den Inhalt des Speichers (4) dividiert wird. In einer Variante der beschriebenen Ausführung wird der im Inverter (2) erhaltene Wert auf volle Zweierpotenzen 2N aufgerundet, so daß die Division im Dividierer (6) durch N-maliges Rechtsrücken im Schieberegister (6a) ersetzt werden kann.
In einem zweiten vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel wird mit etwas erhöhtem Aufwand eine höhere Flexibilität erreicht. Statt aus dem Meßwert selber mittels Inverter (2) einen Wert für Zähler (3) und Speicher (4) zu erhalten, wird der aktuelle Meßwert lediglich in den Speicher (1) geschrieben und der Zähler (3) und Speicher (4) mit dem ersten Festwert eines Festwertespeichers (12) geladen.
Sodann werden im Volladdierer (5) soviele Meßwerte aus dem Speicher (1) addiert, wie der Zähler (3) angibt. Sodann wird die erhaltene Summe in einem Dividierer (6) durch den Wert des Speichers (4) dividiert, bzw. in der alternativen Ausführung (mit Festwertspeicherwerten 2N) in einem Schieberegister N mal nach rechts geschoben. Der erhaltene Wert wird einem Vergleicher (7) zugeführt, in dem dieser mit einem vorgegebenen ersten Vergleichswert aus einem zweiten Festwertspeicher (18) verglichen wird. Ist der erhaltene Wert größer als der Vergleichswert, so ist er der gesuchte gemittelte Meßwert und wird sofort ausgegeben, ist er kleiner, so wird ein Adressenregister (19) für die Festwertespeicher 12 und 18 inkrementiert und in der Folge Zähler (3) und Speicher (4) mit dem zweiten (größeren) Wert aus dem Festwertespeicher (2) geladen und im folgenden die Additions- und Divisionsoperationen wiederholt. Im Vergleicher (7) wird der erhaltene Wert schließlich mit dem zweiten (kleineren) Vergleichswert aus dem Festwertespeicher (18) verglichen.
Die vorbeschriebene Verfahrensweise wird innerhalb eines Taktintervalles (gleich Abtastintervallen für einen Meßwert) so oft wiederholt, bis entweder der Vergleich zur Ausgabe eines gemittelten Meßwertes führt oder die letzten Werte aus den Festwertspeichern (12) und (18) entnommen worden sind (und dann eine Ausgabe ohne vorausgegangenen Vergleich erfolgt).
Die Verfahrensweise kann auch insofern umgekehrt werden, indem zuerst der größte Wert aus den Festwertespeichern (12) und der kleinste Wert aus dem Festwertespeicher (18) entnommen wird, der Vergleich in (7) hat dann so vonstatten zu gehen, daß ein Ergebnis kleiner als der Vergleichswert zur Ausgabe führt und ein Vergleichswert größer als der Vergleichswert zum Inkrementieren des Adresszählers.
Die Reihenfolge Dividieren - Vergleichen kann dabei auch umgekehrt werden, was zu einer Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 führt.
Der Ablauf bei der Anpassung der Mittelung an den jeweils zeitlich letzten, aktuellen Meßwert nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist mit folgendem Rechenbeispiel erläutert: 1. Schritt: Einlesen des letzten Meßwertes, Umspeichern aller Speicher 2. Schritt: Mittelwert M aus den 4 letzten Werten berechnen 3. Schritt: Vergleich:M größer 3072? (Wenn ja, weiter zum 9. Schritt) 4. Schritt: Mittelwert M aus den 8 zeitlich letzten Werten berechnen 5. Schritt: Vergleich:M größer 768? (Wenn ja, weiter zum 9. Schritt) 6. Schritt: Mittelwert M aus den 16 zeitlich letzten Werten berechnen 7. Schritt: Vergleich:M größer 192? (Wenn ja, weiter zum 9. Schritt) 8. Schritt: Mittelwert M aus den 32 zeitlich letzten Werten berechnen 9. Schritt: Ausgabe des gemittelten Meßwertes Der Ablauf bei der Anpassung der Mittelung an den jeweils zeitlich letzten, aktuellen Meßwert nach dem ersten Ausführungsbeispiel ist mit folgenden zwei Rechenbeispielen erläutert: 1. Vereinfachte Schaltung mit Invertierer Meßwert = OSE Hex = -66 Dez. = 1011 1110 Bin.
(1.) Absolutwertbildung ergibt 42 Hex = 66 Dez. = 0100 0010 Bin (2.) Rundung durch Fortlassen des niedrigwertigen Halbbytes ergibt 4 Hex = 4 Dez. = 0100 Bin (3.) Inversion des gerundeten Wertes unter Fortlassen des ersten, des Vorzeichen-Bits 3 Hex = 3 Dez. = X011 Bin (4.) Der Meßwert wira durch Mittelung aus 3 (drei) Speicherwerten bestimmt.
2. Vereinfachte Schaltung mit Invertierer und Schieberegister statt Dividierer (1.-4.) wie oben (5.) Der Wert wird weiter gerundet bis auf eine Binärstelle ungleich Null zu 2 Hex = 2 Dez. = 0010 Bin Da die "1" an der zweiten Stelle von links steht, wird die Summe aus den 2 zeitlich letzten Meßwerten einmal nach rechts geschoben (= durch 2 dividiert).
Literaturstellen zum Stand der Technik: Patent-Nr. offengelegt Erfinder P 2541421.5-52 1977 Ölsch, Schwarz P 2706581.2-53 1978 Katakura u.a.
P 2337132.6-52 1974 Tumbush P 2414838.7-53 1978 Laurent P 2454601.8-53 1976 Speth u.a.
Offenlegungsschrift-Nr.
P 2836443.4 1979 Jordan P 2722704.9 1978 Filbert P 2721276.6 1978 Filbert P 2707199.4 1978 Kusche Auslegeschrift angemeldet P 2660292.6-52 1976 Baumgartner

Claims

Patentansprüche: Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes von in digital.er Form vorliegenden, in zeitlicher Folge zugeführten Meßwerten, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Elemente: a) Einen Speicher mit 2N Speicherplätzen zur Aufnahme der zuletzt zugeführten 2N Meßwerte, b) eine Schaltung zur Gewinnung eines digitalen Steuersignales in Abhängigkeit vom Absolutwert des zuletzt zugeführten Meßwertes, c) eine an den Speicher angeschlossene, durch das Steuersignal gesteuerte Adressteuerschaltung für den Speicher, d) eine an den Speicher angeschlossene Addierschaltung zur Addition einer der Größe des Steuersignales entsprechenden Anzahl (K) der zeitlich jüngsten, im Speicher enthaltenen Meßwerte, e) eine Schaltung zur Division der Summe der K zeitlich jüngsten Meßwerte durch das Steuersignal zur Gewinnung des Mittelwertes der K zeitlich iüngsten Meßwerte.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltung zur Gewinnung des Steuersignales ausgebildet ist als eine Schaltung zur Anpassung des Steuersignales an den Absolutwert des zuletzt zugeführten Meßwertes, mindestens im Takt der Zuführung der Meßwerte, derart, daß das Steuersignal geändert wird, wenn sich der Absolutwert des zuletzt zugeführten Meßwertes gegenüber dem vorhergehenden Meßwert mindestens um einen bestimmten Betrag ändert, wobei ein großer Absolutwert des Meßwertes zu einem kleinen Steuersignal und ein kleiner Absolutwert des Meßwertes zu einem großen Steuersignal führt.
3. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Gewinnung des Steuersignales enthält f) eine Schaltung zum Bilden des Absolutwertes und logischem Invertieren (Binärkomplement) des zuletzt zugeführten Meßwertes, g) eine Anordnung an der Invertierschaltung zum Runden des durch Invertieren des Meßwertes gewonnenen Signales auf N Binärstellen mittels Weglassen der niedrigstwertigen Stellen und einer etwaigen Vorzeichenstelle.
4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß h) die Schaltung zur Gewinnung des Steuersignales außerdem eine an den Ausgang der Invertierungs-und Rundungsschaltung angeschlossene Schaltung enthält, die alle Binärstellen des von der Invertierungs- und Rundungsschaltung gelieferten Signales mit Ausnahme der höchstwertigen auf logisch "1" liegenden Stelle auf statt stellt und dadurch einen Wert 2N erstellt.

i) und daß die Schaltung zur Division der Summe der K zeitlich jüngsten Meßwerte durch das Steuer- signal als Schiebeschaltung ausgebildet ist, deren der Summe der K zeitlich jüngsten Meßwerte entsprechender Binärinhalt durch das Steuersignal um so viele Stellen im Sinne einer Verkleinerung verschoben wird, wie der Stellenzahl der auf logisch "1" stehenden Stelle des Steuersignales entspricht.
5. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch k) einen ersten Festwertspeicher für unterschiedliche Steuersignale, 1) einen zweiten Festwertspeicher für Vergleichs-Mittelwerte, m) eine Vergleichsschaltung, deren Eingänge an die den Mittelwert der K zeitlich jüngsten Meßwerte lieferende Schaltung und an den zweiten Festwertspeicher angeschlossen sind, n) eine an den Ausgang der Vergleichsschaltung angeschlossene Adressteuerschaltung, die mit dem ersten und zweiten Festwertspeicher verbunden ist, so daß in# Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßwerten eine ggfs. wiederholte Anpassung des dem ersten Festwertspeicher entnommenen Steuersignales und des dem zweiten Festwertspeicher entnommenen Vergleichs-Mittelwertes an den Absolutwert des zuletzt zugeführten Meßwertes erfolgt.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß o) der erste Festwertspeicher Steuersignale enthält, die jeweils einer Binärstellenanzahl kleiner der Zahl der in der Addierer vorhandenen Zahl der Binärstellen entsprechen, p) und daß die Schaltung zur Division der Summe der K zeitlich jüngsten Meßwerte durch das Steuersignal als Schiebeschaltung ausgebildet ist, deren der Summe der K zeitlich jüngsten Meßwerte entsprechender Binärinhalt durch das Steuersignal um so viele Stellen im Sinne einer Verkleinerung verschoben wird, wie dem Steuersignal entspricht.
7. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch q) einen ersten Festwertspeicher für unterschiedliche Steuersignale, r) einen zweiten Festwertespeicher für Vergleichs-Mittelwerte, t s) eine Vergleichsschaltung, derenjEingänge an den Addierer und an den zweiten FestwertespQicher angeschlossen sind, t) eine an den Ausgang der Vergleichsschaltung angeschlossene Adressteuerschaltung, die mit dem ersten und zweiten Festwertspeicher verbunden ist, so daß im Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßwerten eine ggfs. wiederholte Anpassung des dem ersten Festwertspeicher entnommenen Steuersignales und des dem zweiten Festwertspeicher entnommenen Vergleichs-Mittelwertes an den Absolutwert des zuletzt zugeführten Meßwertes erfolgt, u) eine an den Ausgang der Vergleichsschaltung angeschlossene Divisionsschaltung.
8. Schaltungsanordnung ncFhAnspruch 7, gekennzeichnet durch v) eine Schiebeschaltung nach dem Anspruch 6, sinngemäß angewandt auf die Schaltungsanordnung nach Anspruch 7.
9. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch w) eine Adressteuerschaltung, die in jedem Taktintervall die 2N Speicherplätze umspeichert.
10. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch x) eine Adressteuerschaltung, die in jedem Taktintervall inden Zeigerzähler erhöht bzw. rücksetzt, der auf den zuletzt beschriebenen Speicherplatz oder den als nächstes zu beschreibenden Speicherplatz zeigt.
11. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß y) der Ausgang der Absolutwertbildungs- und Invertierungsschaltung bzw. des ersten Festwertspeichers sowohl an die Steuerschaltung als auch an einen Schreib-Lese-Speicher mit mindestens einem Speicherplatz angeschlossen ist, wobei die Steuerschaltung an den Addierer und an die Adressteuerung des Schreib-Lese-Speichers mit 2N Speicherplätzen und der Schreib-Lese-Speicher am Dividierer angeschlossen sind.
12. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß z) die Steuerschaltung durch einen Rückwärtszähler ausgebildet ist.