DE3611922C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Einrichtung.

Es ist bekannt, daß Analogsignale großer Dynamik, also solche mit großen und kleinen Werten, insbesondere hinsichtlich der kleinen Werte nur ungenau zu digitalisieren sind. Je kleiner der Istwert des Analogsignals wird, desto größer wird die dem Reziprokwert des Istwertes entsprechende relative Quantisierung.

Grundsätzlich ist es bekannt, unterschiedlich große Meßsignale an den Arbeitsbereich eines Analog-Digital-Umsetzers anzupassen (Electronics, 19. Januar 1978, S. 113-115). Aus IBM Technical Disclosure Bulletin, 14 (1971), Nr. 1, Juni, S. 204, 204a ist es ferner bekannt, für die Meßsignale unterschiedliche Verstärkungen vorzusehen und jeweils eine möglichst große Verstärkung auszuwählen, bei der der Umsetzungsbereich noch nicht überchritten wird.

Ein Beispiel für ein zu digitalisierendes Analogsignal ist ein solches eines Luftmassenmessers bei einem Verbrennungsmotor. Dieses Signal kann große sowie kleine Werte haben und muß zur Verarbeitung in einem Prozessor zuvor digitalisiert werden, was aus den genannten Gründen auf normalem Wege nur relativ ungenau durchgeführt werden kann, weil der Analog-Digital-Wandler eine begrenzte Anzahl von Quantisierungsschritten aufweist (beispielsweise 256 Schritte bei einem 8-bit-Wandler).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der im Oberbegriff genannten Art zu schaffen, womit es in einfacher Weise möglich ist, ein Analogsignal großer Dynamik über den gesamten Bereich mit größerer Auflösung zu digitalisieren.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Verfahren der im Oberbegriff genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen von Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale aus. Das endgültige Digitalsignal besteht somit aus drei Abschnitten, wobei der an sich kritische Bereich kleinerer Digitalwerte eine wesentlich bessere, bei kleinsten Werten um den Faktor n verbesserte, quantisierungsbedingte Auflösung hat. Das Zusammensetzen des Digitalsignals aus mehreren Abschnitten ist erforderlich, weil durch die Verstärkung des Analogsignals nur ein Ausschnitt desselben abbildbar und digitalisierbar ist. Das liegt daran, daß bei Analogsignalen mit großer Dynamik ab einem bestimmten Grenzwert bei der Verstärkung eine Signalbegrenzung auftritt. Dieses Problem kann jedoch dadurch überwunden werden, daß das endgültige Digitalsignal in der geschilderten Weise aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt wird, wobei in einem Übergangsbereich mittelgroßer Digitalwerte ein gleitender Signalübergang zwischen den ersten und dritten Digitalsignalen besonders günstig ist. Dieses Vorgehen ist wesentlich günstiger als ein schwellwertabhängiges Umschalten zwischen den einzelnen Signalabschnitten, da dabei die Toleranzen des Verstärkungsfaktors n auf der Analogseite und die Toleranzen des Analog- Digital-Wandlers problematisch sind. Die daraus resultierenden Unsicherheiten lassen sich durch einen gleitenden Signalübergang vermeiden.

Gemäß Patentanspruch 2 ist für den gleitenden Signalübergang ein linearer Signalübergang besonders vorteilhaft.

Vorzugsweise werden die mittelgroßen Digitalwerte gemäß Patentanspruch 3 anhand des zweiten Digitalsignals erfaßt. Das hat den Vorteil, daß dieses Signal aufgrund der Verstärkung besonders groß ist und dadurch eine genauere Feststellung ermöglicht.

In weiterer Ausgestaltung kann gemäß Patentanspruch 4 aus dem zweiten Digitalsignal ein im Übergangsbereich variabler Bewertungsfaktor abgeleitet werden, der bei der additiven Zusammensetzung des endgültigen Digitalsignals aus Abschnitten des ersten und dritten Digitalsignals entsprechend berücksichtigt wird.

Eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Einrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen von Patentanspruch 5 aufgeführten Merkmale aus. Bei den Einzelheiten der Einrichtung handelt es sich um normale handelsübliche Glieder, nämlich um einen Analogverstärker, einen Analog-Digital-Wandler, einen Digitalverstärker und eine Kombinationseinrichtung zum Zusammensetzen des endgültigen Digitalsignals aus den ersten und dritten Digitalsignalen. Somit kann die erfindungsgemäße Einrichtung einfach und schnell aufgebaut werden. Die Kombinationseinrichtung enthält einen Kennlinienspeicher zum Erzeugen eines Bewertungsfaktors in Abhängigkeit von der Größe der Digitalwerte und eine Additionsschaltung zum Aufsummieren der ersten und dritten Digitalsignale unter Berücksichtigung des Bewertungsfaktors. Auch ein derartiger Kennlinienspeicher stellt ein handelsübliches Glied dar, und es ist lediglich erforderlich, die erwünschte Kennlinie einzugeben. Statt dessen kann auch ein Rechner benutzt werden, der bei vorheriger Eingabe der Grenzwerte des Übergangsbereichs und bei Eingabe des zu berücksichtigenden Digitalsignals den jeweiligen Bewertungsfaktor berechnet.

Gemäß Patentanspruch 6 sollte der Kennlinienspeicher vorzugsweise an den Eingang des Digitalverstärkers angeschlossen sein, damit aus den obengenannten Gründen das relativ große zweite Digitalsignal bei der Feststellung des Bewertungsfaktors berücksichtigt wird, um die Genauigkeit zu vergrößern.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Gesamt­ ansicht und

Fig. 2 bis 6 Kurvendarstellungen zum Erläutern des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.

Gemäß Fig. 1 wird das ursprüngliche Analogsignal a _oa einerseits über einen Analogverstärker 10 mit dem Verstärkungsfaktor n und andererseits direkt einem Analog-Digital-Wandler 12 zugeleitet. Dieser erzeugt aus dem unverstärkten Analogsignal a _oa ein unverstärktes erstes Digitalsignal a _od und aus dem verstärkten Analogsignal a _1a ein verstärktes zweites Digitalsignal a _1d . Diese Signale werden einer Auswerteeinrichtung 14 eingegeben, die ausgangsseitig ein endgültiges, aus mehreren Abschnitten kombiniertes Digital­ signal a _d erzeugt.

In der Auswerteeinrichtung 14 gelangt das erste Digitalsignal a _od zu einem Eingang einer bewertenden Additionsschaltung 20. Das zweite Digitalsignal a _1d gelangt einerseits zu einem Eingang eines Digitalverstärkers 16 mit dem Verstärkungsfaktor 1/n und andererseits zum Eingang eines Kennlinienspeichers 18. Das den Digitalverstärker 16 verlassende dritte Digitalsignal a _2d gelangt zu einem zweiten Eingang der Additionsschaltung 20. Der Kennlinienspeicher 18 leitet aus dem jeweiligen Digitalwert des zweiten Digitalsignals a _1d einen zwischen den Werten 0 und 1 variierenden Bewertungsfaktor K ab. Dieser beträgt unterhalb einer bestimmten unteren Grenze a _1du des zweiten Digitalsignals a _1d 0 und oberhalb einer bestimmten oberen Grenze a _1do 1. Zwischen diesen beiden Grenzen erfolgt ein linearer Anstieg des Bewertungsfaktors K von 0 bis 1. Dieser Bewertungsfaktor K wird der Additionsschaltung 20 eingegeben, um das endgültige Digitalsignal a _d aus den ersten und zweiten Digitalsignalen dadurch zu bestimmen, daß das erste Digitalsignal mit dem Faktor K und das dritte Digitalsignal mit dem Faktor (1 - K) multipliziert werden.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß das zweite Digitalsignal a _1d ab einem bestimmten Grenzwert des unverstärkten Analogsignals a _oa begrenzt ist. Dieses beruht auf der Signalbegrenzung des Analogverstärkers 10. Aus diesem Grunde ist es unmöglich, den gesamten Verlauf des Analogsignals entsprechend zu verstärken und zu digitalisieren.

Fig. 3 zeigt den Verlauf des Bewertungsfaktors K in Abhängigkeit von dem zweiten Digitalsignal a _1d . Es ist ersichtlich, daß der Bewertungsfaktor K zwischen den Grenzen a _1du und a _1do des Über­ gangsbereichs linear ansteigt. Der Bewertungsfaktor K hat unterhalb dieses Bereiches den Wert 0 und oberhalb den Wert 1. Dadurch wird sichergestellt, daß nur innerhalb des Übergangsbereichs eine Vermischung von Signalteilen der ersten und dritten Digital­ signale erfolgt, während außerhalb des Übergangsbereichs entweder nur das dritte oder nur das erste Digitalsignal benutzt wird.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß das unverstärkte erste Digitalsignal a _od im gesamten Verlauf des Analogsignals a _oa hierzu proportional ist.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß das dritte Digitalsignal a _2d nach entsprechender Verkleinerung bzw. Teilung im Digitalverstär­ ker 16 im vorliegenden Fall bis etwa 25% des Analogsignals a _oa hierzu proportional ist, wie es auch für das zweite Digitalsignal a _1d gemäß Fig. 2 zutrifft. Nur dieser Abschnitt des dritten Digitalsignals a _2d kann zur Festlegung des endgültigen Digitalsignals a _d herangezogen werden.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß das endgültige Digitalsignal a _d in Abhängigkeit des Analogsignals a _oa aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt ist. Unterhalb von x ₁ beträgt K = 0, was bedeutet, daß nur das dritte Digitalsignal a _2d für a _d benutzt wird. Oberhalb von x ₂ beträgt K = 1, was bedeutet, daß in diesem Bereich das Digitalsignal a _d nur aus dem ersten Digitalsignal a _od hergeleitet wird. Zwischen x ₁ und x ₂ ist der Bewertungsfaktor K zwischen 0 und 1 linear ansteigend, so daß ein gleitender, hier linearer, Signalübergang zwischen dem ersten Digitalsignal a _od und dem dritten Digitalsignal a _2d gewährleistet ist.

Das so erhaltene endgültige Digitalsignal a _d hat im Bereich des Analogsignals a _oa zwischen 0 und x ₁ gegenüber dem Stand der Technik eine wesentlich bessere Auflösung. Im Übergangsbereich zwischen x ₁ und x ₂ ergeben sich infolge des gleitenden Signalübergangs keinerlei Probleme hinsichtlich der Toleranzen des Verstärkungs­ faktors n des Analogverstärkers 10 und der Toleranzen des Analog-Digital-Wandlers 12.

Diese Methode kann beispielsweise und vorteilhaft zum Digitalisieren des Analogsignals eines Luftmassenmessers bei Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Unabhängig davon eignet sich die beschriebene Methode immer dann, wenn ein Analogsignal ausreichender Dynamik zu digitalisieren ist, also grundsätzlich Genauig­ keitsprobleme bezüglich der Digitalisierung der kleineren Analogwerte bestehen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Verbessern der Auflösung beim Digitalisieren eines Analogsignals großer Dynamik, insbesondere des Signals eines Luftmassenmessers von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal (a _oa ) einmal unverstärkt zu einem ersten Digitalsignal (a _od ) und einmal nach Verstärkung mit dem Faktor n zu einem zweiten Digitalsignal (a _1d ) umgewandelt wird, daß das zweite Digitalsignal (a _1d ) um den Faktor n zu einem dritten Digitalsignal (a _2d ) verkleinert wird und daß die so erhaltenen ersten sowie dritten Digitalsignale kombiniert werden, indem für kleinere Digitalwerte diejenigen des dritten Digitalsignals (a _2d ), für größere Digitalwerte diejenigen des ersten Digitalsignals (a _od ) und in einem bestimmten Übergangsbereich (a₁ _du . . . a₁ _do ) mittelgroßer Digitalwerte ein gleitender Signalübergang zwischen den ersten und dritten Digitalsignalen (a _od, a _2d ) verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein linearer Signalübergang durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung der mittelgroßen Digitalwerte des Übergangsbereichs (a _1du . . . a _1do ) das zweite Digitalsignal (a _1d ) erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zweiten Digitalsignal (a _1d ) ein im Übergangsbereich variabler Bewertungsfaktor mit dem Geltungsbereich 0 K 1 bestimmt wird, wobei a _1d der jeweilige Digitalwert des zweiten Digitalsignals, a _1du eine bestimmte untere sowie a _1do eine bestimmte obere Grenze für den den Übergangsbereich bestimmenden Digitalwert des zweiten Digitalsignals (a _1d ) sind, und daß das endgültige Digitalsignal (a _d ) aus dem ersten Digitalsignal a _od sowie dem dritten Digitalsignal a _2d entsprechendK · a _od + (1 - K) · a _2d zusammengesetzt wird.

5. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Analogverstärker (10) mit dem Verstärkungsfaktor n zum Verstärken des Analogsignals (a _oa ), durch eine das unverstärkte und das verstärkte Analogsignal zu ersten und zweiten Digitalsignalen (a _od, a _1d ) umwandelnden Analog-Digital-Wandler (12), durch einen Digitalverstärker (16) mit einem Verstärkungsfaktor 1/n zum Verkleinern des verstärkten zweiten Digitalsignals (a _1d ) zu einem dritten Digitalsignal (a _2d ) und durch eine Kombinationseinrichtung (18, 20) zum bereichsweisen Kombinieren der ersten und dritten Digitalsignale (a _od, a _2d ), wobei die Kombinationseinrichtung einen an den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (12) angeschlossenen Kennlinienspeicher (18) zum Erzeugen eines in einem bestimmten Digitalwert-Übergangsbereich (a _1du , a _1do ) linear variierenden Bewertungsfaktor (K) zwischen den Werten 0 und 1 und eine mit dem Ausgang des Kennlinienspeichers (18) verbundene Additionsschaltung (20) zum bewertenden Aufsummieren der ersten und dritten Digitalsignale (a _od, a _2d ) unter Berücksichtigung des jeweiligen Bewertungsfaktors (K) aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennlinienspeicher (18) an den Eingang des Digitalverstärkers (16) angeschlossen ist.