DE4019001A1 - Verfahren zur analog-digital-umsetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung eines von einem periodischen Störsignal überlagerten analogen Eingangs­ signals in ein digitales Ausgangssignal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist eine Vielzahl von Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung bekannt, z. B. aus der Zeitschrift "Technisches Messen", 1982, Heft 10, Seiten 363-370 und dem Buch "Taschenbuch der Infor­ matik", Springer-Verlag 1974, Band II, Seiten 341-365. Man unterscheidet zwischen solchen Verfahren, mit denen Augen­ blickswerte umgesetzt werden, und integrierenden Verfahren, die einen dem Integral des Eingangssignals über eine Meßperiode entsprechenden Digitalwert erzeugen. Integrierende Verfahren werden vor allem dann eingesetzt, wenn dem zu messenden Analog­ signal Störsignale überlagert sind. Hat nämlich ein Störsignal einen periodischen Verlauf und ist die Meßperiode ein ganz­ zahliges Vielfaches der Periode des Störsignals, kompensieren sich dessen positive und negative Halbwellen, und das Meßergeb­ nis wird nicht verfälscht. Da die Meßperioden im allgemeinen mit Taktimpulsen konstanter Frequenz bestimmt werden und daher unabhängig von der Frequenz der Störsignale sind, stimmen häufig Meßperiode und das Vielfache der Periodendauer des Stör­ signals nicht exakt überein, so daß Meßfehler entstehen. Nach der DE-PS 30 41 954 wird dieses Problem bei einem nach dem so­ genannten Dual-Slope-Prinzip arbeitenden Analog-Digital-Um­ setzer mit Hilfe einer Korrekturschaltung zu lösen versucht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Analog-Digital-Umsetzverfahren anzugeben, bei dem periodische Störsignale keinen Einfluß auf den Ausgangsdigital­ wert haben, auch wenn die Meßperiode nicht gleich einem ganz­ zahligen Vielfachen der Periodendauer des Störsignals ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen des neuen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie Weiterbildungen und Ergänzungen näher beschrieben und erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Analog-Digital- Umsetzers zur Durchführung des neuen Verfahrens.

In den Fig. 2 und 3 wird das neue Verfahren veranschaulicht.

Der Analog-Digital-Umsetzer nach Fig. 1 enthält einen Span­ nungs-Frequenz-Umformer SFU mit einem integrierenden Verstärker IV, einem Amplitudendiskriminator DIS und einem Ladungsmengen­ generator LQ. Die in einen digitalen Ausgangswert umzusetzende analoge Eingangsspannung U_e wird dem Integrierverstärker IV zugeführt. Jedesmal dann, wenn seine Ausgangsspannung einen im Amplitudendiskriminator DIS eingestellten Wert erreicht, gibt dieser einen Impuls auf den Ladungsmengengenerator LQ, der darauf den Integrierverstärker IV mit einer bestimmten Ladungs­ menge entlädt. Die Ausgangsimpulse des Amplitudendiskriminators DIS sind ferner einer Torschaltung TR zugeführt, die von einer Zeitbasiseinheit ZB gesteuert ist. Die Zeitbasiseinheit ZB bildet Meßperioden bestimmter Dauer, während deren sie die Torschaltung TR freigibt, so daß die Ausgangsimpulse des Ampli­ tudendiskriminators DIS auf den Eingang eines Zählers Z gelan­ gen. Nach Beendigung der Meßperiode enthält der Zähler einen Digitalwert, der dem Mittelwert der Eingangsspannung während der Meßperiode entspricht und der einer Speicher- und Auswerte­ schaltung SAW übergeben wird.

Der bisher beschriebene Teil der Fig. 1 ist als Analog-Digi­ tal-Umsetzer mit einem Spannungs-Frequenz-Umformer bekannt. Während bei den bekannten derartigen Analog-Digital-Umsetzern die Meßperioden möglichst gleich der Periode der im Eingangs­ signal U_e enthaltenen Störspannung gewählt werden, ist die Meßperiode in dem Analog-Digital-Umsetzer nach Fig. 1 unabhän­ gig von der Störsignalperiode. Um dennoch den Einfluß von peri­ odischen Störsignalen auf das Meßergebnis zu unterdrücken, sind weitere Einheiten und Funktionen vorgesehen. Im allgemeinen rührt das Störsignal von der Netzspannung her, und es hat daher die Periodendauer der Netzspannung. Für den Fall, daß die Peri­ odendauer des Störsignals nur ungefähr bekannt ist, wird das Eingangssignal U_e einem Hochpaß HP oder einem Bandpaß zuge­ führt, in deren Durchlaßbereich die Frequenz des Störsignals liegt. An den Ausgang des Hochpasses ist ein Störsignaldetektor SD angeschlossen, der z. B. bei jedem Nulldurchgang des Stör­ signals einen Impuls abgibt, und zwar an einem Ausgang P beim Nulldurchgang von negativen nach positiven Werten und an einem Ausgang N von positiven nach negativen Werten. Beide Impulse können unmittelbar aus den Nulldurchgängen abgeleitet werden; es ist aber auch möglich, nur jeweils einen Nulldurchgang zu bestimmen, die Periodendauer zu messen und bei der halben Peri­ odendauer den zweiten Impuls zu erzeugen. Anstatt der Null­ durchgänge des Störsignals können auch die Amplituden für die Bestimmung der Periodendauer herangezogen werden, indem das Störsignal differenziert und die Nulldurchgänge des differen­ zierten Signals ermittelt werden. Die Ausgangsimpulse des Stör­ signaldetektors SD werden über einen Schalter SC als Start­ impulse der Zeitbasiseinheit ZB zugeführt. Im Ruhezustand be­ findet sich der Schalter SC in der mittleren, gestrichelt ge­ zeichneten Stellung. Auf einen Startimpuls ST schaltet die Speicher- und Auswerteeinheit SAW den Schalter in die linke, mit einer durchgezogenen Linie gezeichnete Stellung. Mit dem nächsten Impuls am Ausgang P des Störsignaldetektors SD wird eine Meßperiode gestartet. Deren Ende meldet die Zeitbasis­ einheit ZB der Speicher- und Auswerteschaltung SAW, die darauf den während der vorangegangenen Meßperiode im Zähler Z gebilde­ ten Digitalwert übernimmt, den Zähler zurücksetzt und den Schalter SC in die rechte, gestrichelt gezeichnete Stellung bringt. Mit dem nächsten Impuls am Ausgang N des Störsignal­ detektors SD wird eine zweite Meßperiode gestartet und der Schalter SC in die mittlere Stellung gebracht. Der in der zwei­ ten Meßperiode ermittelte Digitalwert wird zu dem der ersten Meßperiode addiert. Aus der Summe wird durch Multiplikation mit einem geeigneten Faktor, z. B. 0,5, der gewünschte digitale Meßwert erhalten, der über einen Ausgang A von der Speicher­ und Auswerteeinheit SAW abgegeben wird. Im allgemeinen ist jedoch die Periodendauer des Störsignals bekannt, z. B. mit 20 msec. Die Steuerimpulse für den Schalter SC brauchen dann nicht unmittelbar aus dem Störsignal abgeleitet zu werden, sondern sie werden im Abstand eines ungeradzahligen Vielfachen der bekannten halben Periodendauer von z. B. 10 msec erzeugt.

Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm der Eingangsspannung U_e. Sie besteht aus der zu messenden Gleichspannung U_M und einer dieser überlagerten Störspannung mit der Periodendauer T_S. Zu einem Zeitpunkt t₀ werde der Speicher- und Auswerteeinheit SAW ein Startsignal zugeführt. Mit dem nächsten Nulldurchgang des Stör­ signals zum Zeitpunkt t₁ beginnt die erste Meßperiode, die bis zum Zeitpunkt t₂ dauert. Es ist ersichtlich, daß diese Meß­ periode völlig unabhängig von der Periodendauer T_S des Stör­ signals ist. Nach dem Zeitpunkt t₂ wird zunächst der Zähler­ inhalt in die Speicher- und Auswerteeinheit SAW übernommen, der Zähler zurückgesetzt und der Schalter SC umgeschaltet, so daß beim Nulldurchgang des Störsignals von positiver zu negativer Polarität zum Zeitpunkt t₃ die nächste Meßperiode beginnt. Diese hat die gleiche Dauer wie die erste Meßperiode, sie ist im Zeitpunkt t₄ beendet. Danach werden wieder Speicher-, Rechen- und Schaltvorgänge ausgeführt, um das gewünschte Meß­ ergebnis zu erhalten.

Im Beispiel nach Fig. 2 sind die Meßperioden länger als eine Störsignalperiode. Ferner wird der Meßwert aus zwei während je einer Meßperiode gewonnenen Digitalwerten erzeugt. Die Meß­ genauigkeit kann erhöht werden, wenn in weiteren Meßperioden Digitalwertepaare ermittelt werden, die jeweils gegeneinander um ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Periodendauer des Störsignals zeitlich versetzt sind.

Der beschriebene Analog-Digital-Umsetzer hat die Eigenschaft, daß er im Falle einer sprungförmigen Änderung des Meßsignals U_M sich nur träge auf den neuen Meßwert einstellt. Dieser Nachteil kann dadurch umgangen werden, daß die Meßperioden kürzer als eine Periodendauer des Störsignals gemacht werden, vorteilhaft kürzer als eine halbe Periodendauer, so daß während einer Stör­ signalperiode zwei Digitalwerte gebildet werden, aus deren Summe der gesuchte digitale Meßwert gebildet wird. In diesem Falle braucht die Periodendauer des Störsignals nur über eine Periode stabil zu sein.

Fig. 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Dauer der Meßperioden kürzer als die Periodendauer das Stör­ signals ist und bei dem ferner mehr als zwei Meßperioden zur Ermittlung des digitalen Ausgangswertes verwendet werden. Ins­ gesamt sind es sechs Meßperioden T_a, T_b ... T_f. Je zwei auf­ einanderfolgende Meßperioden T_a, T_b bzw. T_c, T_d bzw. T_e, T_f sind um eine halbe Störsignalperiode T_S gegeneinander versetzt. Während der Meßperioden werden Digitalwerte A, B, C, D, E, F ermittelt, aus denen nach der folgenden Formel der Ausgangs­ digitalwert M errechnet wird:

Im Ausführungsbeispiel ist ein Analog-Digital-Umsetzer mit einem Spannungs-Frequenz-Umformer eingesetzt. Statt dessen kann auch jeder andere Analog-Digital-Umsetzer, auch ein Augen­ blickswerte ermittelnder, verwendet werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Umsetzen eines mit einem periodischen Stör­ signal überlagerten analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß während einer ersten Meßperiode (T_M1) ein dem analogen Eingangssignal (U_e) entsprechender erster Digitalwert und während einer zweiten Meßperiode (T_M2), deren Dauer gleich der der ersten Meßperiode (T_M1) ist und die gegen die erste Meß­ periode (T_M1) um ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Periodendauer (T_S) des Störsignals zeitlich versetzt ist, ein dem analogen Eingangssignal entsprechender zweiter Digitalwert ermittelt wird und daß der digitale Ausgangswert aus der Summe der beiden Digitalwerte gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während weiterer Paare von Meßperioden (T_a, T_b; T_c, T_d; T_e, T_f), die gegenseitig um ein ungeradzahli­ ges Vielfaches der Periodendauer (T_S) des Störsignals zeitlich versetzt sind, weitere dem analogen Eingangssignal (U_e) ent­ sprechende Digitalwerte (A, B, C, D, E, F) ermittelt werden und daß aus der Summe aller Digitalwerte der digitale Ausgangs­ wert (M) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Digitalwerte mittels eines integrierenden Analog-Digital-Umsetzverfahrens ermittelt werden.