DE3816903A1 - Verfahren und anordnung zur analog/digital-wandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ana­ log/Digital-Wandlung von elektrischen Signalen und auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung findet beispielsweise Anwendung bei der digitalen Drehzahlregelung von Motoren mit analogem Sollwerteingang (drehzahl- oder lagegeregelte Antriebe für Werkzeugmaschinen).

Verfahren und Anordnungen zur Analog/Digital-Wandlung sind beispielsweise aus M. Seifart, "Analoge Schaltun­ gen", Hüthig-Verlag, Heidelberg, 1987, Seite 485 bis 488 bekannt. Analog/Digital-Wandler haben dabei allgemein die Aufgabe, ein analoges Eingangssignal (Spannung, Strom) in eine dazu proportionale Zahl (digitales Aus­ gangssignal) umzusetzen. Die Umsetzung analoger in digi­ tale Signale erfolgt in der Regel in der Weise, daß das analoge Eingangssignal zu bestimmten diskreten Zeitpunk­ ten abgetastet wird (Zeitquantisierung) und daß diese Abtastwerte vom Analog/Digital-Wandler in ein proportio­ nales digitales Signal (Zahl) umgesetzt werden (Quanti­ sierung der Signalamplitude, Codierung des ermittelten Amplitudenwertes). Durch die Abtastung und die Quanti­ sierung entsteht zwangsläufig ein Informationsverlust.

Soll ein analoges Eingangssignal in einem relativ großen Signalbereich digitalisiert werden, so ist die aufgrund der Digitalisierung im unteren Signalbereich zwangslau­ fig damit verbundene relative Ungenauigkeit häufig von Nachteil.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, ein Verfahren zur Analog/Digital-Wandlung der ein­ gangs genannten Art anzugeben, das speziell im unteren Signalbereich des analogen Eingangssignales eine erhöhte Genauigkeit aufweist. Desweiteren soll eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens in Verbin­ dung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das analoge Eingangssignal verstärkt wird, sobald es einen vorgebbaren Schwellwert unter­ schreitet, daß es danach digitalisiert wird und daß das Signal abschließend durch einen der Verstärkung entspre­ chenden Divisor geteilt wird.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß sich aufgrund dieser Bereichsum­ schaltung die Auflösung der Analog/Digital-Wandlung spe­ ziell bei kleinen analogen Eingangssignalen erhöht. Die Möglichkeiten eines A/D-Wandlers werden ohne großen Auf­ wand auch im Bereich kleiner Signale voll ausgenutzt.

Vorteilhafte Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante zur A/D-Wand­ lung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsvariante zur A/D-Wand­ lung.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsvariante zur A/D- Wandlung dargestellt. Ein analoges Eingangssignal A wird dem feststehenden Kontakt 2 c eines ansteuerbaren Um­ schalters 2 zugeleitet. Der Umschaltkontakt 2 a des Schalters 2 ist mit einem analogen Verstärker 3 mit vor­ gebbarer fester Verstärkung V verbunden. Das Ausgangssi­ gnal des Verstärkers 3 gelangt als Eingangssignal B zu einem Analog/Digital-Wandler 4. Der Ausgang des A/D- Wandlers 4 ist mit einem digitalen Vergleicher 1 und mit dem feststehenden Kontakt 5 c eines Umschalters 5 verbun­ den. Der Umschaltkontakt 5 a des Schalters 5 ist an den Eingang eines digitalen Dividierers 6 angeschlossen und leitet diesem das digitale Eingangssignal D als Dividend zu. Der Divisor X des Dividierers 6 ist fest vorgebbar und entspricht der Verstärkung V des Verstärkers 3. Am Ausgang des Dividierers 6 steht das digitale Ausgangs­ signal E an.

Der Umschaltkontakt 2 b des Schalters 2 ist an einen Ein­ speisepunkt 7 auf der Verbindungsleitung zwischen Ver­ stärker 3 und A/D-Wandler 4 angeschlossen, während der Umschaltkontakt 5 b des Schalters 2 an einem am Ausgang des Dividierers 6 angeordneten Einspeisepunkt 8 liegt.

Die Umschalter 2 und 5 werden vom Vergleicher 1 ange­ steuert. Hierzu ist dem Vergleicher 1 ein digitaler Schwellwert S vorgebbar. Überschreitet das digitale Aus­ gangssignal des A/D-Wandlers 4 den Schwellwert S, so steuert der Vergleicher 1 die Schalter 2 und 5 in der Weise an, daß der feststehende Kontakt 2 c mit dem Um­ schaltkontakt 2 b und der feststehende Kontakt 5 c mit dem Umschaltkontakt 5 b verbunden werden. Infolgedessen sind sowohl der analoge Verstärker 3 als auch der digitale Dividierer 6 überbrückt und somit funktionslos. Der Si­ gnalweg lautet 2c-2b-7-4-5c-5b-8, d.h. die Umsetzung des analogen Eingangssignals A in das digitale Ausgangssi­ gnal E erfolgt lediglich unter Einsatz des A/D-Wandlers 4.

Unterschreitet das digitale Ausgangssignal des A/D-Wand­ lers 4 den Schwellwert S, so steuert der Vergleicher 1 die Schalter 2 und 5 in der Weise an, daß der festste­ hende Kontakt 2 c mit dem Umschaltkontakt 2 a und der feststehende Kontakt 5 c mit dem Umschaltkontakt 5 a ver­ bunden werden. Der Signalweg lautet 2c-2a-3-7-4-5c-5a- 6-8, d.h. das analoge Eingangssignal A wird verstärkt (Verstärkung V), digitalisiert und digital dividiert (Divisor X). Aufgrund der Verstärkung mit anschließender digitaler Division erhöht sich die Auflösung des A/D- Wandlers 4. Dabei sind der Schwellwert S einerseits und Verstärkung V/Divisor X andererseits so aufeinander ab­ gestimmt vorzugeben, daß dem A/D-Wandler 4 in keinem Fall ein zu hohes Eingangssignal B zugeleitet wird. Ge­ gebenenfalls ist es empfehlenswert, den digitalen Ver­ gleicher 1 mit hysteresebehafteter Umschaltkennlinie auszubilden, um eindeutig definierte Umschaltpunkte zu erhalten.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsvariante zur A/D- Wandlung dargestellt. Hierbei wird das analoge Eingangs­ signal A einem analogen Verstärker 9 zugeleitet. Im Un­ terschied zum Verstärker 3 gemäß Fig. 1 weist der Ver­ stärker 9 keine feste Verstärkung, sondern zwei um­ schaltbare Verstärkungen V 1, V 2 auf. Ausgangsseitig ist der Verstärker 9 mit dem A/D-Wandler 4 verbunden (Ein­ gangssignal B). An den A/D-Wandler 4 sind ausgangsseitig der digitale Vergleicher 1 und ein digitaler Dividierer 10 angeschlossen (Eingangssignal D), wobei am Dividierer 10 ausgangsseitig das digitale Ausgangssignal E ansteht. Im Unterschied zum Dividierer 6 gemäß Fig. 1 weist der Dividierer 10 keinen festen Divisor, sondern zwei um­ schaltbare Divisoren X 1, X 2 auf.

Der Verstärker 9 und der Dividierer 10 werden vom Ver­ gleicher 1 angesteuert. Überschreitet das digitale Aus­ ganssignal des A/D-Wandlers 4 den digitalen Schwellwert S, so steuert der Vergleicher 1 den Verstärker 9 in der Weise an, daß die Verstärkung V 1 eingestellt wird. Gleichzeitig steuert der Vergleicher 1 den Dividierer 10 in der Weise an, daß der Divisor X 1 eingestellt wird. Sowohl die Verstärkung V 1 als auch der Divisor X 1 weisen vorzugsweise den Wert 1 auf, so daß Verstärker 9 und Dividierer 10 bei höheren Eingangssignalen A ohne Ein­ fluß sind.

Unterschreitet das digitale Ausgangssignal des A/D-Wand­ lers 4 den Schwellwert S, so steuert der Vergleicher 1 den Verstärker 9 in der Weise an, daß die Verstärkung V 2 eingestellt wird. Gleichzeitig steuert der Vergleicher 1 den Dividierer 10 in der Weise an, daß der Divisor X 2 eingestellt wird. Verstärkung V 2 und Divisor X 2 entspre­ chen einander. Wie bereits zu Fig. 1 ausgeführt, wird das analoge Eingangssignal A verstärkt (Verstärkung V 2), digitalisiert und digital dividiert (Divisor X 2), was eine Erhöhung der Auflösung zur Folge hat.

Die in Fig. 1 und 2 im Prinzip dargestellten Anordnungen werden vorzugsweise als Mikroprozessoren ausgeführt.

Allgemein ist es durch Einsatz des digitalen Verglei­ chers 1 von Vorteil, daß keine aufwendigen analogen Re­ ferenzen für den Vergleich mit dem analogen Eingangssig­ nal notwendig sind, es genügt vielmehr ein digitaler Schwellwert. Durch Einsatz des digitalen Vergleichers wird die gesamte Schaltung störunempfindlich. Der Auf­ wand für die Analogtechnik wird auf ein Minimum redu­ ziert, da der notwendige Vergleich, die Sollwertvorgabe und die Umschaltung von der Digitalseite gesteuert wer­ den.

Claims (3)

1. Verfahren zur Analog/Digital-Wandlung von elek­ trischen Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß das ana­ loge Eingangssignal analog verstärkt wird, sobald es einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet, daß es danach digitalisiert wird und daß das digitale Signal abschließend durch einen der Verstärkung entsprechenden Divisor digital geteilt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Ein­ gangssignal (A) einer Reihenschaltung aus einem analogen Verstärker (9) mit umschaltbarer Verstärkung (V 1, V 2), einem Analog/Digital-Wandler (4) und einem digitalen Dividierer (10) mit umschaltbarem Divisor (X 1, X 2) zuge­ leitet wird, wobei die Ansteuerung des analogen Verstär­ kers (9) und des digitalen Dividierers (10) über einen das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers (4) abta­ stenden digitalen Vergleicher (1) erfolgt.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Ein­ gangssignal (A) einer Reihenschaltung aus einem analogen Verstärker (3) mit fester Verstärkung (V), einem Ana­ log/Digital-Wandler (4) und einem digitalen Dividierer (6) mit festem Divisior (X) zugeleitet wird, daß der analoge Verstärker (3) und der Dividierer (6) jeweils über ansteuerbare Umschalter (2, 5) überbrückbar sind und daß die Ansteuerung der Umschalter (2, 5) über einen das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers (4) abtastenden digitalen Vergleicher (1) erfolgt.