DE3741050A1

DE3741050A1 - Schaltungsanordnung zur mittelwertbildung von periodisch auftretenden messsignalen

Info

Publication number: DE3741050A1
Application number: DE19873741050
Authority: DE
Inventors: Manfred Heinrich Dr Fuchs
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1987-12-04
Filing date: 1987-12-04
Publication date: 1989-06-15

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Mittelwertbildung von periodisch auftretenden Meßsignalen
mit einem Analog-Digital-Umsetzer, der von jedem Meßsignal zumindest einen zu einer vorgegebenen Zeitstützstelle ermittelten Meßwert in einen digitalen Meßwert umsetzt,
mit einem Addierer, welcher die von dem Analog-Digital- Umsetzer bei einer Zeitstützstelle ermittelten digitalen Meßwerte aufeinanderfolgend addiert, wobei der Summenwert nach jeder Addition in einem Hauptspeicher abgelegt und bei der nächsten Addition dem Addierer zur Addition mit einem Meßwert geliefert wird, und
mit einer Rechenschaltung, die nach Auftreten einer bestimmten Anzahl von Meßsignalen den Mittelwert bei einer Zeitstützstelle berechnet.

In der Meßtechnik ist es häufig erforderlich, eine Vielzahl von periodischen Meßsignalen aufzunehmen, um ein auswertbares Meßergebnis zu erhalten. Solche Meßsignale sind nämlich von Rauschsignalen überlagert, die durch eine Mittelwertbildung zu unterdrücken sind.

Die eingangs erwähnte Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 24 08 545 bekannt. Dieser Schaltungsanordnung werden periodisch auftretende Meßsignale geliefert, die den Druckverlauf im Brennerraum einer Verbrennungskraft maschine darstellen. Von jedem Meßsignal wird zu einer vorgegebenen Zeitstützstelle ein digitaler Meßwert in einem Analog-Digital-Umsetzer gewonnen, der einem Addierer zugeführt wird. Im Addierer werden eine bestimmte Anzahl von Meßwerten addiert, die zur Ermittlung des Mittelwertes an der vorgegebenen Zeitstützstelle einem Dividierer nach Abschluß der Addition der Meßwerte zugeführt werden. Der Dividierer dividiert die Anzahl der addierten Meßwerte durch den Summenwert. Der berechnete Mittelwert kann anschließend in einer Anzeige oder einem Drucker ausgegeben werden. Bei dieser Schaltungsanordnung ist es nicht möglich, Mittelwerte von periodisch auftretenden Meßsignalen an mehreren Zeitstützstellen zu ermitteln.

Ein weiterer Anwendungsfall, bei dem Meßsignale gemittelt werden müssen, ist die optische Zeitbereichsreflektometrie. Hierbei werden Lichtimpulse geringer Dauer in einen zu vermessenden Lichtwellenleiter eingespeist und das rückgestreute Lichtsignal als Meßsignal ausgewertet. Aufgrund der sehr geringen Intensität des rückgestreuten Lichtsignals liegen in der Regel verrauschte, expotentiell abfallende Meßsignale vor. Um ein auswertbares Signal zu erhalten, ist es erforderlich, eine große Anzahl von Meßsignalen aufzunehmen (mehr als 10 000 Meßsignale). Wegen der hohen Anzahl von aufzunehmenden Meßsignalen ist es erwünscht, ein gemitteltes Signal möglichst in Echtzeit zu berechnen, um eine akzeptable Gesamtmeßzeit zu erreichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltunganordnung zur Mittelwertbildung von periodisch auftretenden Meßsignalen zu schaffen, die auf eine schnelle Art Mittelwerte an mehreren Zeitstützstellen von periodisch auftretenden Meßsignalen ermittelt.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Analog-Digital-Umsetzer bei jedem Meßsignal mehrere bei vorgegebenen Zeitstützstellen ermittelte Meßwerte in digitale Werte umsetzt, daß der Hauptspeicher verschiedene jeweils einer Zeitstützstelle zugeordnete Speicherbereiche enthält und daß nach der Addition eines bei einer Zeitstützstelle ermittelten Meßwertes mit dem dieser Zeitstützstelle zugeordneten Summenwert in dem Addierer der neue Summenwert in einem Zwischenspeicher zwischengespeichert und dann in dem dieser Zeitstützstelle zugeordneten Speicherbereich des Hauptspeichers abgelegt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden die periodisch auftretenden Meßsignale in dem Analog-Digital-Umsetzer in digitale Meßsignale umgesetzt. Ein digitales Meßsignal besteht aus einer Folge amplitudendiskreter Meßwerte. Ein solcher Meßwert wird an einer vorgegebenen Zeitstützstelle ermittelt. Nach der Umsetzung wird der Meßwert mit dem Summenwert addiert, den der dieser Zeitstützstelle zugeordnete Speicherbereich des Hauptspeichers liefert. Der Summenwert ist die Summe der bisher aufgetretenen Meßwerte an derselben Zeitstützstelle. Vor Beginn der Aufnahme der Meßsignale muß der Hauptspeicher mit einem Speicherwert von Null gefüllt werden. Der neue Summenwert wird in einem Zwischenspeicher zwischengespeichert, weil der Speicherbereich den neuen Summenwert noch nicht einlesen kann, da er auf Auslesen eingestellt ist. Nach der Übernahme des neuen Summenwertes in den Zwischenspeicher wird der Speicherbereich auf Einlesen umgestellt und der neue Summenwert vom Zwischenspeicher eingelesen. Anschließend wird der Speicherbereich aufgerufen, welcher der darauffolgenden Zeitstützstelle zugeordnet ist. Der in diesen Speicherbereich gespeicherte Summenwert wird an den Addierer gelegt.

Da jeder Meßwert nach Umwandlung in einen digitalen Meßwert mit dem Summenwert addiert wird, erfolgt die Addition der Meßwerte der Meßsignale in Echtzeit. Nach dem Auftreten der vorgegebenen Anzahl von Meßsignalen wird der Mittelwert in einer Rechenschaltung ermittelt, in dem die Anzahl durch die Summenwerte bei den verschiedenen Zeitstützpunkten dividiert wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Analog-Digital-Umsetzer jeweils periodisch ein Startsignal von einer Steuerschaltung zur Umsetzung eines Meßwertes erhält. Die dem von dem Analog-Digital-Umsetzer gelieferten amplitudendiskreten Abtastwerte treten in einer periodischen Folge auf, d. h., die Dauer zwischen zwei Zeitstützstellen ist konstant. Dieses Startsignal kann erst dann gegeben werden, wenn der Analog-Digital-Umsetzer die Umsetzung abgeschlossen und der neue Summenwert in den Zwischenspeicher abgespeichert worden ist.

Das Aufrufen der verschiedenen Speicherbereiche des Hauptspeichers übernimmt ein Stellenzähler, der nach jeder Speicherung eines Summenwertes in einen Speicherbereich des Hauptspeichers seinen Inhalt, der jeweils eine Adresse für einen Speicherbereich darstellt, um eine Einheit verändert, so daß nach Veränderung des Zählerinhaltes ein anderer Speicherbereich aufgerufen ist, dessen gespeicherter Summenwert am Addierer anliegt. Nach Aufruf des letzten Speicherbereiches, dem die letzte Zeitstützstelle zugeordnet ist, setzt die Steuerschaltung den Zähler auf seinen Anfangswert zurück. Dem Stellenzähler kann entweder von der Steuerschaltung oder von dem Hauptspeicher mitgeteilt werden, daß ein neuer Summenwert in dem aufgerufenen Speicherbereich abgespeichert worden ist.

Vorzugsweise ist der Stellenzähler ein Abwärtszähler, dessen Anfangswert die Steuerschaltung vorgibt und dessen Inhalt die Steuerschaltung durch ein Zählsignal jeweils um eine Einheit dekrementiert.

Die Anzahl der aufzunehmenden Meßsignale für eine Mittelung wird von einem Periodenzähler bestimmt, der nach Aufruf des letzten Speicherbereichs seinen Inhalt um eine Einheit verändert. Nach Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Perioden werden die Speicherinhalte aus dem Speicherbereich des Hauptspeichers zur Ermittlung des jeweiligen Mittelwertes einer Zeitstützstelle in die Rechenschaltung nacheinander eingelesen. Der Periodenzähler wird auf seinen Anfangswert zurückgesetzt. Vorzugsweise ist der Periodenzähler ein Abwärtszähler, dessen Anfangswert die Steuerschaltung vorgibt und dessen Inhalt der Stellenzähler bei Erreichen des Inhaltes Null um eine Einheit dekrementiert und der bei Erreichen des Inhaltes Null die Rechenschaltung veranlaßt, die Speicherinhalte aus dem Hauptspeicher auszulesen.

Um die Genauigkeit der Mittelung zu erhöhen, ist vorgesehen, daß die Rechenschaltung einen Zusatzspeicher enthält, in den diese die berechneten Mittelwerte eingibt und daß nach Ermittlung neuer Mittelwerte die Rechenschaltung aus den vorherigen und zuletzt berechneten Mittelwerten Gesamtmittelwerte berechnet.

Die Anzahl der Zeitstützstellen eines Meßsignals ist von der Umsetzzeit des Analog-Digital-Umsetzers bestimmt. Um die Anzahl der Zeitstützstellen der Meßsignale zu erhöhen, ist vorgesehen, daß dem Analog-Digital-Umsetzer ein weiterer Analog-Digital-Umsetzer parallel geschaltet ist und daß die beiden Analog-Digital-Umsetzer abwechselnd jeweils periodisch von der Steuerschaltung ein weiteres Startsignal zur Umsetzung eines Meßwertes erhalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Lichtwellenleiter, in den Lichtimpulse eingestrahlt werden, eine rückgestreute Lichtsignale verarbeitende Auswerteschaltung und ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Mittelwertbildung von periodisch auftretenden Meßsignalen und

Fig. 2 eine in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zu verwendende Schaltung zur Analog-Digital-Umsetzung.

In Fig. 1 ist ein mittels der optischen Zeitbereichsreflektometrie zu vermessender Lichtwellenleiter 1 dargestellt. Ein Laser 2 erzeugt Lichtimpulse 3 geringer Dauer, die über eine Entkopplungsanordnung 4 in den Lichtwellenleiter 1 eingestrahlt werden. Über die Entkopplungsanordnung 4 werden vom Lichtwellenleiter 1 rückgestreute Lichtsignale 6 einer Auswerteschaltung 5 zugeführt, die die rückgestreuten Lichtsignale 6 in elektrische Meßsignale umsetzen. Aufgrund der geringen Intensität der rückgestreuten Lichtsignale 6 liegen stark verrauschte, expotentiell abfallende Meßsignale mit der Periodenlänge T vor.

Die periodisch auftretenden Meßsignale werden einem Analog-Digital-Umsetzer 8 zugeleitet, der Teil einer Schaltungsanordnung zur Mittelwertbildung von periodisch auftretenden Meßsignalen ist und der aus den analogen Meßsignalen digitale Meßsignale erzeugt. Ein solches digitales Meßsignal besteht aus einer Folge amplitudendiskreter, periodisch ermittelter Meßwerte. Die einer Zeitstützstelle zugeordneten Meßwerte der Meßsignale werden nacheinander addiert und nach Erhalt einer bestimmten Anzahl von Meßsignalen wird der an einer Zeitstützstelle ermittelte Summenwert durch die Anzahl der aufgenommenen Meßsignale dividiert. Das Ergebnis dieser Division ergibt eine Folge von Mittelwerten an den vorgegebenen Zeitstützstellen.

Eine Steuerschaltung 9 erzeugt ein Startsignal, das dem Analog-Digital-Umsetzer 8 zugeführt wird und diesen veranlaßt, einen analogen Meßwert in einen digitalen Meßwert umzusetzen. Die Steuerschaltung 9 bewirkt also, daß der Analog-Digital-Umsetzer 8 bei vorgegebenen Zeitstützstellen eines Meßsignals einen digitalen Meßwert erzeugt. Dieses Startsignal für den Analog-Digital-Umsetzer 8 wird von der Steuerschaltung 9 periodisch erzeugt, so daß die Dauer zwischen zwei Zeitstützstellen konstant ist. Die Steuerschaltung steuert auch den Laser 2. Dabei wird die Periodenlänge T zwischen zwei Lichtimpulsen 3 bzw. zwischen dem Beginn zweier rückgestreuter Lichtsignale 6 so gewählt, daß immer an der vorgegebenen Zeitstützstelle eines Meßsignals ein analoger Meßwert in einen digitalen Meßwert umgesetzt wird.

Nach dem Abschluß der Analog-Digital-Umsetzung eines Meßwertes gibt der Analog-Digital-Umsetzer 8 ein Freigabesignal an einen Addierer 10, der den Meßwert mit einem von einem Hauptspeicher 11 gelieferten Summenwert addiert. Der Hauptspeicher 11 enthält verschiedene Speicherbereiche, die jeweils einer Zeitstützstelle zugeordnet sind. In einem Speicherbereich wird der Summenwert der Meßwerte für eine Zeitstützstelle gespeichert. Vor Beginn der Addition der Meßwerte muß jeder Speicherbereich mit einem Wert Null vorbelegt werden, was durch die Steuerschaltung 9 bewirkt wird. Nach Empfang eines Endesignals von dem Analog-Digital-Umsetzer 8, wodurch mitgeteilt wird, daß die Umsetzung beendet ist, gibt die Steuerschaltung 9 den Hauptspeicher 11 frei, der den Summenwert eines Speicherbereichs an den Addierer 10 legt. Nach der Addition des Summenwertes mit dem Meßwert im Addierer 10 gibt die Steuerschaltung 9 ein Einlesesignal für einen Zwischenspeicher 12 aus, wodurch der neue Summenwert in diesen Zwischenspeicher 12 abgespeichert wird. Durch ein weiteres Einlesesignal von der Steuerschaltung 9 wird der Hauptspeicher 11 veranlaßt, den Zwischenspeicherinhalt in den betreffenden Speicherbereich des Hauptspeichers 11 einzulesen.

Die Aktivierung eines Speicherbereiches im Hauptspeicher 11 übernimmt ein Stellenzähler 14, der als Abwärtszähler ausgebildet ist. Vor Beginn der Meßwertaufnahme wird der Stellenzähler 14 von der Steuerschaltung 9 mit einer Zahl vorbelegt, welche die Anzahl der vorgegebenen Zeitstützstellen darstellt. Die Anzahl der Zeitstützstellen ist von einem Bediener mittels einer Eingabeeinheit 15 in einen Mikrocomputer 16 eingegeben worden. Der Mikrocomputer speichert diese Anzahl und die Steuerschaltung 9 holt sich diesen Wert vor der Einstellung des Stellenzählers 14 aus dem Speicher des Mikrocomputers 16. Dieser Anfangswert des Stellenzählers 14 stellt die Adresse für den Speicherbereich des Hauptspeichers 11 dar, der die Meßwerte der erten Zeitstützstelle aufnimmt. Nach Abspeicherung eines Summenwertes in einem Speicherbereich des Hauptspeichers 11 wird durch ein Zählsignal der Steuerschaltung 9 der Inhalt des Stellenzählers 14 um eine Einheit dekrementiert. Dieser Inhalt stellt dann eine neue Adresse eines Speicherbereiches des Hauptspeichers 11 dar.

Wenn der Inhalt des Stellenzählers 14 den Wert Null erreicht hat, wird dies von der Steuerschaltung 9 dekodiert, die dann ein weiteres Zählsignal für einen Periodenzähler 16 erzeugt, der seinen Inhalt um eine Einheit dekrementiert. Vor Beginn der Meßwertaufnahme wird der Periodenzähler 13 durch die Steuerschaltung 9 mit einem Inhalt gefüllt, der die Anzahl der aufzunehmenden Meßsignale für eine Mittelwertbildung darstellt. Die Steuerschaltung 9 holt sich diesen Zählerinhalt aus dem Speicher des Mikrocomputers 16, dem die Anzahl der Meßsignale über die Eingabeeinheit 15 vom Bediener einge geben worden ist. Bei Erreichen des Inhaltes Null im Periodenzähler 13 wird dies von der Steuerschaltung 9 dekodiert, die den Mikrocomputer 16 veranlaßt sich nach einander aus den einzelnen Speicherbereichen des Haupt speichers 11 die Summenwerte zu holen. Diese Summenwerte werden in einer Rechenschaltung des Mikrocomputers 16 durch die Anzahl der aufgenommenen Meßsignale dividiert, und der zu jeder Zeitstützstelle berechnete Mittelwert wird an einer Anzeigeeinheit 17 ausgegeben.

Die berechneten Mittelwerte für jede Zeitstützstelle werden in dem Speicher des Mikrocomputers 16 abgelegt. Anschließend werden die Zähler 14 und 13 mit jeweils einem Inhalt geladen und die Aufnahme der Meßwerte beginnt erneut. Nach Erreichen des Inhaltes Null im Perioden zähler 13 werden nach Berechnung der Mittelwerte diese mit den zuvor im Speicher des Mikrocomputers 16 abge speicherten Mittelwerten im Mikrocomputer 16 zu einem neuen Gesamtmittelwert berechnet. Dadurch ergibt sich eine höhere Genauigkeit bei der Messung. Diese Gesamtmittel wertbildung kann mit weiteren später berechneten Mittel werten fortgesetzt werden.

In Fig. 2 ist eine alternative Möglichkeit zur Analog- Digital-Umsetzung dargestellt. Die Meßsignale von der Aus werteschaltung 5 werden einem ersten Analog-Digital- Umsetzer 20 und einem parallel geschalteten zweiten Analog-Digital-Umsetzer 21 zugeführt. Die Analog-Digital- Umsetzer 20 und 21 werden von der Steuerschaltung 9 so gesteuert, daß sie abwechselnd einen analogen Meßwert in einen digitalen Meßwert umsetzen. Da die Dauer der Bildung eines Summenwertes im wesentlichen von der Umsetzzeit eines Analog-Digital-Umsetzers abhängt, kann durch die Parallelschaltung zweier Analog-Digital-Umsetzer 20 bzw. 21 die doppelte Anzahl von Meßwerten gegenüber nur einem einzigen Analog-Digital-Umsetzer aufgenommen werden. Ein Analog-Digital-Umsetzer erhält hierbei einen neuen analogen Meßwert während der Zeit, in welcher der andere Analog-Digital-Umsetzer noch einen digitalen Meßwert erzeugt.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltelemente sind noch mit einem hier nicht näher dargestellten Taktsignalgenerator verbunden.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Mittelwertbildung von periodisch auftretenden Meßsignalen
mit einem Analog-Digital-Umsetzer (8), der von jedem Meßsignal zumindest einen zu einer vorgegebenen Zeitstützstelle ermittelten Meßwert in einen digitalen Meßwert umsetzt,
mit einem Addierer (10), welcher die von dem Analog-Digital-Umsetzer bei einer Zeitstützstelle ermittelten digitalen Meßwerte aufeinanderfolgend addiert, wobei der Summenwert nach jeder Addition in einem Hauptspeicher (11) abgelegt und bei der nächsten Addition dem Addierer zur Addition mit einem Meßwert geliefert wird und
mit einer Rechenschaltung (16), die nach Auftreten einer bestimmten Anzahl von Meßsignalen den Mittelwert bei einer Zeitstützstelle berechnet,
dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer (8) bei jedem Meßsignal mehrere bei vorgegebenen Zeitstützstellen ermittelte Meßwerte in digitale Werte umsetzt, daß der Hauptspeicher (11) verschiedene jeweils einer Zeitstützstelle zugeordnete Speicherbereiche enthält und daß nach der Addition eines bei einer Zeitstützstelle ermittelten Meßwertes mit dem dieser Zeitstützstelle zugeordneten Summenwert in dem Addierer der neue Summenwert in einem Zwischenspeicher (12) zwischengespeichert und dann in dem dieser Zeitstützstelle zugeordneten Speicherbereich des Hauptspeichers abgelegt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer (8) jeweils periodisch ein Startsignal von einer Steuerschaltung (9) zur Umsetzung eines Meßwertes erhält.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellenzähler (14) nach jeder Speicherung eines Summenwertes in einem Speicherbereich des Hauptspeichers (11) seinen Inhalt, der jeweils eine Adresse für einen Speicherbereich darstellt, um eine Einheit verändert, so daß nach Veränderung des Zählerinhaltes ein anderer Speicherbereich aufgerufen ist, dessen gespeicherter Summenwert am Addierer (10) anliegt, und daß nach Aufruf des letzten Speicherbereiches, dem die letzte Zeitstützstelle zugeordnet ist, die Steuerschaltung (9) den Stellenzähler an seinen Anfangswert zurücksetzt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Anzahl der Meßsignale für eine Mittelung zählender Periodenzähler (13) nach Aufruf des letzten Speicherbereiches seinen Inhalt um eine Einheit verändert und daß nach Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Perioden die Speicherinhalte aus dem Speicherbereich des Hauptspeichers (11) zur Ermittlung des jeweiligen Mittelwertes einer Zeitstützstelle in die Rechenschaltung (16) nacheinander eingelesen werden und der Periodenzähler an seinen Anfangswert zurückgesetzt wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellenzähler (14) ein Abwärtszähler ist, dessen Anfangswert die Steuerschaltung (9) vorgibt und dessen Inhalt die Steuerschaltung durch ein Zählsignal jeweils um eine Einheit dekrementiert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Periodenzähler (13) ein Abwärtszähler ist, dessen Anfangswert die Steuerschaltung (9) vorgibt und dessen Inhalt der Stellenzähler (14) bei Erreichen des Inhaltes Null um eine Einheit dekrementiert, und daß der Periodenzähler bei Erreichen des Inhaltes Null die Rechenschaltung (16) veranlaßt, die Speicherinhalte aus dem Hauptspeicher auszulesen.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung (16) einen Zusatzspeicher enthält, in den diese die berechneten Mittelwerte eingibt, und daß nach Ermittlung neuer Mittelwerte die Rechenschaltung aus den vorherigen und zuletzt berechneten Mittelwerten Gesamtmittelwerte berechnet.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analog-Digital-Umsetzer (20) ein weiterer Analog-Digital-Umsetzer (21) parallel geschaltet ist und daß die beiden Analog-Digital-Umsetzer abwechselnd jeweils periodisch von der Steuerschaltung (9) ein weiteres Startsignal zur Umsetzung eines Meßwertes erhalten.