DE4007988A1 - Verfahren zur digitalen signalverarbeitung in einem rechner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Signal­ verarbeitung in einem Rechner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In digitalen Steuer- und Regelsystemen erfolgt die Signal­ verarbeitung zeitverschoben in drei Stufen. Es werden analoge bzw. digitale Meßwerte erfaßt, aus Eingangssignalen werden Ausgangssignale mittels vorgegebener Signalverknüp­ fungen und Funktionen erzeugt und schließlich erfolgt die Weitergabe der berechneten Ausgangssignale an angeschlossene Stellglieder. Dieser Prozeß wiederholt sich ununterbrochen, wobei die Zykluszeit für die Eingabe und Ausgabe der Signale regelmäßig konstant gehalten wird.

Die Genauigkeit der Erfassung analoger Signale durch das digitale System hängt von der Auflösung bzw. der Datenbitka­ pazität des Analog/Digitalwandlers am Eingang des Digitalsy­ stems ab. Gebräuchlich sind beispielsweise 8, 10, 11 und 12 Bit Wandler.

Die Auflösungsgenauigkeit des an den Wandler angeschlossenen Rechners sowie auch der an den Rechnerausgang angeschlosse­ nen Steuerelektronik zum Ansteuern der Stellglieder ist oft von der Auflösungsgenauigkeit des Wandlers verschieden. Oftmals wird die Auflösung des Rechners geringer sein als die des Wandlers und kann auch die Auflösung der Steuerelek­ tronik geringer sein als die des Rechners. Die Folge davon ist eine Verschlechterung der Auflösungsgenauigkeit des Systems, da die von einem Gerät mit größerer Datenbitkapazi­ tät ermittelten Signale von den Geräten mit geringerer Datenbitkapazität nicht vollständig identifiziert werden können. Durch den Wegfall von Stellenwerten des Signals verringert sich die Genauigkeit des Systems.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren anzugeben, mit dem die Auflösungsgenauigkeit solcher Systeme erhöht werden kann.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Erfindungsgemäß werden die von dem nachgeschalteten Gerät geringerer Datenbitkapazität nicht verarbeitbaren Signalre­ ste des von einem Gerät mit höherer Datenbitkapazität angelieferten Signale in dem sogenannten Restwertspeicher aufaddiert, und wird der durch das Aufaddieren entstandene Überlauf des Restwertspeichers dem jeweiligen Signalein­ gangswert zuaddiert. Die Signalreste geraten also nicht in Wegfall, sondern werden gesammelt und gelegentlich, das heißt je nach Größe des nichtverarbeitbaren Signalrestes, wenn der Überlauf am Restwertspeicher auftritt, dem gerade anstehenden Signaleingangswert zur Weiterberechnung hinzuge­ fügt. Diese Zusatzwerte beeinflussen den zeitlichen Mittel­ wert des Eingangssignals derart, daß die Signalauswertung im zeitlichen Mittelwert dem Auflösungsvermögen des Gerätes mit der größeren Datenbitkapazität entspricht. Es ist besonders vorteilhaft, daß somit die Auflösung eines Rechners von beispielsweise nur 8 Bit an die Auflösung eines A/D-Wandlers mit beispielsweise 11 Bit angeglichen werden kann.

In entsprechender Weise gilt dies auch für die an den Rechner angeschlossene Steuerelektronik, in der das vom Rechner gelieferte Ausgangssignal in ein Ansteuersignal für ein Stellglied umgewandelt wird. Liefert die Steuerelektro­ nik ein digitales Ausgangssignal, insbesondere ein impuls­ breitenmoduliertes Signal, so ist regelmäßig die Auflösung bzw. die Datenbitkapazität der Steuerelektronik geringer als die des Rechners, so daß wiederum Stellenwerte des Rechner­ ausgangssignals in Wegfall geraten würden, da sie von der Steuerelektronik nicht verarbeitet werden können. Auch hier kann erfindungsgemäß durch das Aufaddieren der Restwertan­ teile des Rechnerausgangssignals und Hinzufügen des aufad­ diereten Überlaufs zum Ausgangssignal die Auflösungsgenauig­ keit wesentlich vergrößert werden. So kann beispielsweise das 8 Bit Ausgangssignal einer Steuerelektronik mit Pulswei­ tenmodulation unter Verwendung eines 8 Bit Restwertspeichers auf 16 Bit erhöht werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann ferner zur Erhöhung der Auflösung des A/D-Wandlers dem analogen Eingangssignal ein Zittersignal überlagert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip einer eingangsseitigen Restwert­ korrektur, nämlich,

Fig. 1.1 ein Analogsignal,

Fig. 1.2 das digitalisierte Analogsignal,

Fig. 1.3 das digitalisierte Signal mit Restwertkorrek­ tur,

Fig. 2 das Prinzip der Restwertkorrektur für ein impulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal, nämlich,

Fig. 2.1 bis 2.5 mehrere Zwischenstufen des Ausgangs­ signals,

Fig. 3 das Prinzip der Überlagerung eines Zittersi­ gnals, nämlich

Fig. 3.1 die Überlagerung eines Analogsignals mit einem Zittersignal,

Fig. 3.2 das digitalisierte Signal und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Regelstrecke in einem hydraulischen System.

In Fig. 1 ist über der Zeit t der Verlauf eines analogen Signals, zum Beispiel eines Meßwertes M dargestellt, das digitalisiert und einem Rechner zugeführt werden soll. Das Analogsignal wird in einem A/D-Wandler digitalisiert, so daß sich ein treppenförmiges Signal mit der durch den Wandler bedingten Auflösungsgrenze A_W ergibt.

In Fig. 1.2 ist der Fehler dargestellt, der sich ergibt, wenn das Auflösungsvermögen des A/D-Wandlers größer ist als das des angeschlossenen Rechners. Beispielsweise ist an einem 9 Bit Wandler ein 8 Bit Rechner angeschlossen. Dabei geht im Rechner jeweils der Wert des 9. Bits verloren. In Fig. 1.2 ist das Auflösungsvermögen A_W des Wandlers sowie die Auflösung A_R des Rechners eingetragen. Die gestrichelte Linie 1 zeigt den exakten Meßwert M entsprechend dem in Fig. 1.1 dargestellten Analogsignal. Der strichpunktierte Signalverlauf 2 zeigt den zeitlich gemittelten digitalisierten Meßwert, wie er vom Rechner erfaßt wird. Der Unterschied zwischen den beiden Signalverläufen 1 und 2 ergibt den Meßwertfehler F, der sich einstellt, wenn der jeweils vom Rechner nicht nutzbare Restwert des Signals verloren geht.

Dem Rechner ist nun ein Restwertspeicher angegliedert, in dem die Summe der nicht nutzbaren Restwerte R₁ bzw. R₂ ge­ speichert und aufaddiert wird. Der Überlauf bzw. Unterlauf des Restwertspeichers wird jeweils vorzeichengerecht zu dem digitalisierten Meßwert hinzuaddiert. Dann ergeben sich gelegentlich, nämlich beim Speicherüberlauf Signalüberhöhun­ gen, die in Fig. 1.3 dargestellt sind. Es wird also dem digitalisierten Eingangssignal für den Rechner der Restwert­ überlauf zuaddiert. Der zeitliche Mittelwert des Signalver­ laufs entspricht dann genau dem analogen Meßwert in Fig. 1.1, das heißt durch Nutzung dieses Restwert-Überlauf- Verfahrens kann der durch die Auflösungsgrenze A_R des Rechners verursachte Digitalisierungsfehler F nahezu vollständig eliminiert werden. Ein allenfalls verbleibender Restfehler hängt einerseits natürlich von der Auflösungs­ grenze des A/D-Wandlers sowie von der Bitbreite des Rest­ wertspeichers ab.

Dieses Restwert-Verfahren läßt sich in entsprechender Weise auch für ein an den Rechner ausgangsseitig angeschlossenes Gerät, beispielsweise eine Steuerelektronik anwenden, die ein digitales Ausgangssignal liefert. Wird beispielsweise von einem Rechner ein 10 Bit breites Ausgangssignal geliefert und wird dieses auf eine 8 Bit breite pulsweitenmodulierte Steuerelektronik gegeben, so gehen ohne Sondermaßnahmen wiederum 2 Bit Genauigkeit verloren, die von der Steuerelektronik nicht erfaßbar sind. Im Signalausgang des Rechners wird wiederum ein Restwertspeicher vorgesehen, in dem die von der Steuerelektronik nicht verarbeitbaren Signalrestwerte gespeichert und aufaddiert werden, bis der Speicher überläuft. Der Überlauf bzw. Unterlauf wird vorzeichengerecht dem Ausgangssignal des Rechners hinzugefügt. In den Fig. 2.1 bis 2.5 ist dargestellt, daß durch die Restwertkorrektur des Ausgangssignals S_A durch Zuaddieren des Überlaufs zu einem bzw. mehreren impulsweitenmodulierten Signale die Zwischenstufen von 1,0, 1,25, 1,5, 1,75, 2,0 usw. erzielt werden. Es ergibt sich so gegenüber den ohne Korrektur möglichen Stufen des Ausgangssignals von 1 bzw. 2 eine vervierfachte Auflosung durch die Restwertspeicherung. Die Auflösungsgenauigkeit des Ausgangssignals ist bei konstantem Ergebniswert ausschließlich von der Bitbreite des Restwertspeichers abhängig.

Schwankt das Rechenergebnis, verursacht durch das Verfahren der Restwertspeicherung von Eingangssignalen, dann erhöht sich die Signalauflösung im Ausgang entsprechend. Dies bedeutet: Durch die Kombination des Restwert-Speicher- Verfahrens bei der Signalerfassung, der Signalverarbeitung und der Signalausgabe wird die Auflösungsgenauigkeit des Ausgangssignals und damit die Regelgüte des digitalen Regel­ systems zusätzlich erhöht.

Vorstehend war davon ausgegangen worden, daß die Überläufe des Restwertspeichers zu einem ansteigenden Eingangs- bzw. Ausgangssignal hinzuaddiert werden. Bei einem abfallenden Eingangs- bzw. Ausgangssignal können die Überläufe (Unter­ läufe) aber auch vom Signal subtrahiert werden, so daß sich gelegentlich Signalverminderungen ergeben.

In Fig. 3 ist dargestellt, daß die Auflösungsgrenze des A/D Wandlers durch Überlagerung eines als Dreiecksignal ausge­ bildeten Zittersignals Z zusätzlich verkleinert werden kann. In Fig. 3.1 ist ein analoger Meßwert M dargestellt, der im Beispiel als konstant angesehen wird und für digitale Dar­ stellung mit M_D bezeichnet wird. Mit A ist der Unempfind­ lichkeitsbereich des A/D Wandlers bzw. seine Auflösungs­ grenze (Wertigkeit der minderwertigen Bitstelle) bezeichnet, die regelmäßig asymmetrisch zum Meßwert M liegt, das heißt bei Digitalisierung des Meßwerts M wird sich auf Dauer ein Fehler einstellen.

Um diesen Fehler zu vermeiden wird dem Meßwert M das Zitter­ signal Z überlagert, dessen Amplitude AA größer ist als das Auflösungsband A des Wandlers. Ist diese Bedingung erfüllt, dann schwankt das Zittersignal Z bei konstantem Meßwert M mit seinen Amplitudenspitzen ständig über die Empfindlich­ keitsgrenze A hinaus.

Damit stellt sich der in Fig. 3.2 gezeigte digitale Signal­ verlauf 2 ein. Es tritt also jeweils ein Signal 2 auf, wenn das Zittersignal Z die Auflösungsgrenze A des Wandlers über­ bzw. unterschreitet. Aus dem Signalverlauf 2 ergibt sich der zeitliche Mittelwert 3, der wesentlich genauer ist als der digitalisierte Meßwert M_D ohne Zittersignal. Wie aus einem Vergleich mit Fig. 3.1 erkennbar, liegt das digitalisierte Signal 1 wegen der zum konstanten Meßwert M_D asymmetrischen Auflösungsgrenze A des Wandlers unter dem Mittelwert 3. So läßt sich die Auflösungsgenauigkeit des Wandlers erhöhen. Sie ist ausschließlich vom Verhältnis der Abtastrate dT₀ zur Periode T des Zittersignals Z abhängig.

In Fig. 4 ist die Anwendung des Verfahrens auf eine hydraulische Regelstrecke schematisch dargestellt. Beispielsweise wird ein hydraulischer Druck in einem Meßwertgeber 10 erfaßt und in einem Wandler 11 digitali­ siert. Der Rechner 12 liefert ein meßwertabhängiges Ausgangssignal an eine Steuerelektronik 14 zum Erzeugen eines impulsweitenmodulierten Ausgangssignals, das einer Stellgröße 15, zum Beispiel einem Proportionalventil zuge­ führt wird. Die unterschiedliche Datenbitkapazität des Wandlers 11, des Rechners 12 und der Steuerelektronik 14 wird durch die Restwert-Korrektur-Methode einander angegli­ chen. Hierzu sind eingangsseitig und ausgangsseitig des Rechners 12 die Restwertspeicher 16, 18 vorgesehen.

Claims (6)

1. Verfahren zur digitalen Signalverarbeitung vor­ zugsweise in einem Rechner, der eingangsseitig an einen A/D Wandler und ausgangsseitig an eine Steuerelektronik ange­ schlossen ist, wobei die Datenbitkapazität des Rechners und des Wandlers bzw. der Steuerelektronik unterschiedlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Gerät mit geringerer Datenbitkapazität nicht verarbeitbaren Restanteile des digi­ talen Signals gespeichert und aufaddiert werden und daß der jeweilige Speicherüber- bzw. -unterlauf zu dem Eingangssi­ gnal des nachgeschalteten Gerätes geringerer Datenbitkapazi­ tät vorzeichengerecht addiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restanteile in einem getrennten Speicher gespeichert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit einem an einen A/D Wandler angeschlossenen Rechner, wobei die Daten­ bitkapazität des Wandlers größer ist als die des Rechners, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Rechner nicht verarbeit­ baren Restanteile des vom Wandler gelieferten digitalen Eingangssignals in einem Restwertspeicher gespeichert und aufaddiert werden und der Überlauf des Restwertspeichers vorzeichengerecht jeweils zu dem Eingangssignal addiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Ausgangssignal des Rechners in einer Steuerelektro­ nik zum Erzeugen eines impulsbreitenmodulierten Steuersi­ gnals verwendet wird, wobei die Datenbitkapazität des Rech­ ners größer ist als die der Steuerelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Steuerelektronik nicht verarbeitbaren Restanteile des vom Rechner gelieferten Signals in einem Restwertspeicher aufaddiert werden und der Über- bzw. Unterlauf des Restwertspeichers vorzeichengerecht jeweils zu dem Eingangssignal der Steuerelektronik addiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem analogen Eingangssignal des A/D Wandlers ein Zittersignal überlagert wird, dessen Ampli­ tude größer ist als die Auflösungsgrenze des Wandlers.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf ein hydraulisches System, bei dem ein analoger Meßwert digitalisiert, in einem Rechner meßwertabhängig ein Steuer- bzw. Regelsignal erzeugt wird und in einer Steuer­ elektronik ein impulsbreitenmoduliertes Signal zum Ansteuern eines Stellgliedes erzeugt wird.