DE4140069C1 - Averaging appts. for time-varying signal - delivers previous interval average while forming current interval average and feeds time varying signal to integrator with sample=and=hold and negative feedback of output - Google Patents

Averaging appts. for time-varying signal - delivers previous interval average while forming current interval average and feeds time varying signal to integrator with sample=and=hold and negative feedback of output

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Abstract

The appts. averages a signal changing with respect to time, over equidistant and successive intervals of duration T. During the formation of the intervals average, the average formed from the previous interval of time, is output simultaneously. The signal, varying with respect to time, is fed to one input (1, 1) of an integrator (1) whose output (1, 3) is sampled by an element with a sample-and-hold function (2), working at a constant frequency f=l/T, according to the timer (3), and supplying at its output (2, 2) the average, also passed as negative feedback to the other input (1, 2) of the integrator. USE/ADVANTAGE - E.g. for plum D/A converter for electrohydraulic valve control. Improved accuracy.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mittelung eines zeitveränderlichen Signals gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for averaging time-varying signal according to the preamble of claim 1.

Es ist bereits eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt (DE 30 12 896 C2), bei welcher ein zeitveränderliches Signal während einer Folge von äquidistanten Zeitintervallen T in der Weise gemittelt wird, daß innerhalb eines Zeitintervalls T das Signal mehrmals abgetastet und das Mittel der Einzelwerte gebildet wird. Je mehr Einzelwerte man hierbei verwendet, desto besser wird das wahre Intervallmittel approximiert. Als nachteilig bei dieser Art der Mittelung wird erachtet, daß mit einem vertretbaren Aufwand keine hohe Genauigkeit erzielt werden kann. Ist zum Beispiel das Signal ein Meßwert, zu dessen Aufbereitung und Mittelung ein Mikrokontroller eingesetzt werden soll, so würde dieser unter Umständen so stark belastet, daß dieses Verfahren nicht praktikabel wäre.A generic device is already known (DE 30 12 896 C2), in which a time-varying signal during a sequence of equidistant time intervals T in Is averaged that within a time interval T that Signal sampled several times and the mean of the individual values formed becomes. The more individual values you use, the more the true interval mean is better approximated. As a disadvantage with this kind of averaging it is considered that with a reasonable effort not high accuracy can be achieved can. For example, if the signal is a measured value, for its preparation and averaging a microcontroller can be used should, this would under certain circumstances be so heavily burdened that this method would not be practical.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäße Vorrichtung zur Mittelung eines zeitveränderlichen Signals in Hinblick auf Effektivität, Bauteileaufwand und Genauigkeit zu verbessern. The object of the invention is the generic device for averaging a time-varying signal to improve effectiveness, component effort and accuracy.  

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine gattungegemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspurchs 1. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile gegenüber dem o. g. Stand der Technik bestehen insbesondere darin, daß der über das Zeitintervall T gebildete Mittelwert exakt ist, ohne Fehler aufgrund einer endlichen Unterteilung des Zeitintervalls T, wobei die Vorrichtung mit lediglich zwei dem Fachmann gut bekannten Funktionsbausteinen und einem Taktgeber aufgebaut werden kann. Darüberhinaus sind die Anforderungen an die Funktionsbausteine gering, zum einen weil die Sample-and-Hold-Funktion pro Zeitintervall nur einmal eingesetzt wird - im Gegensatz zu n-mal bei o. g. Stand der Technik -, zum anderen weil aufgrund der rückgekoppelten Struktur die zuverlässige Funktionsweise des Systems wenig empfindlich gegenüber Bauteiltoleranzen und Driften ist.This object is achieved by a generic device with the characteristic features of Anspurchs 1. The with the Invention achieved advantages over the above. State of the art consist in particular in that over the time interval T formed mean is exact, without errors due to one finite subdivision of the time interval T, the device with only two function blocks well known to the person skilled in the art and a clock can be built. Furthermore the requirements on the function blocks are low, firstly because the sample-and-hold function per time interval is used only once - in contrast to n times for the above. State of the art - partly because of the feedback Structure the reliable functioning of the system is not very sensitive to component tolerances and drifts.

Besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Special configurations of the device according to the invention are characterized by the features of the subclaims.

So ermöglicht das Merkmal von Unteranspruch 2 eine sensornahe Beschaltung unter Ausnutzung der in einem Mikrokontroller integrierten anwendungsspezifischen Peripherie, wie Taktgeber, A/D- und D/A-Umsetzer. Insbesondere ist von Vorteil, daß auf den anderen Eingang des Integrierers genausogut ein (pulsweitenmoduliertes) PWM-Signal zurückgeführt werden kann, zumal diese Signalkodierung bei Regelungsvorgängen häufig verwendet wird.The feature of sub-claim 2 enables sensor-close Wiring using the integrated in a microcontroller application-specific peripherals, such as clocks, A / D and D / A converter. It is particularly advantageous that on the other input of the integrator as well (pulse width modulated) PWM signal can be fed back, especially since this Signal coding is often used in control processes.

Mit dem Merkmal von Unteranspruch 3 kann die Vorrichtung vorteilhaft als PWM/A-Wandler zur Umwandlung eines (pulsweitenmodulierten) PWM-Signals in ein analoges Signal eingesetzt werden. In einer weiteren Anwendung wird nicht direkt das PWM- Signal gemittelt sondern die Antwort einer Regelgröße auf das ein Stellglied ansteuernde PWM-Signal. In dieser Weise kann die Vorrichtung vorteilhaft dazu verwendet werden, einen mehr oder weniger hohen Wechselanteil einer gemessenen Regelgröße infolge einer PWM-Ansteuerung eines Stellgliedes zu eliminieren und den relevanten Mittelwert zu bestimmen. Insbesondere kann damit ein stetiges Stellglied, wie beispielsweise ein elektrohydraulisches Ventil, sehr viel besser geregelt werden, als wenn die Glättung durch konventionelle Tiefpaßfilter erreicht würde, welche zwangsläufig die Regeldynamik stark beeinträchtigen.With the feature of sub-claim 3, the device can be advantageous as PWM / A converter to convert a (pulse width modulated) PWM signal can be used in an analog signal. In another application, the PWM Signal averaged but the response of a controlled variable to the an actuator-driving PWM signal. In this way, the Device advantageously used to a more or less high alternating share of a measured controlled variable as a result  to eliminate a PWM control of an actuator and the to determine the relevant mean. In particular, one can continuous actuator, such as an electro-hydraulic Valve, can be regulated much better than if smoothing would be achieved by conventional low-pass filters, which inevitably severely affect the control dynamics.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigenAn embodiment of the invention is in the drawing shown and is described in more detail below. Show it

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 1 is a block diagram of the device according to the invention and

Fig. 2 die intervallweise Bestimmung des Mittelwertes am Beispiel einer vorgegebenen Signalkurve. Fig. 2 the interval-wise determination of the mean value using the example of a predetermined signal curve.

Der Integrierer (INT) 1 wird über den Eingang 1.1 mit dem Signal U(t) und über den Eingang 1.2 mit dem negativ rückgekoppelten Mittelwert UM(t) gespeist. Der Funktionsbaustein INT integriert forlaufend von einem Anfangszeitpunkt t=0 an, so daß an seinem Ausgang 1.3 die SpannungThe integrator (INT) 1 is fed via the input 1.1 with the signal U (t) and via the input 1.2 with the negative feedback mean value U M (t). The function block INT integrates continuously from an initial point in time t = 0, so that the voltage at its output 1.3

anliegt. Der Vorfaktor 1/T dient der Normierung auf das Zeitintervall T, so daß ein Intervallmittel aus der entsprechenden Fläche unter einer Kurve hervorgeht. Es sei nun das obige Integral zu einem Zeitpunkt t=(k+1) * T, der ein ganzzahliges Vielfaches des Zeitintervalls T ist, betrachtet. Spaltet man das Integral über dem Intervall [0, (k+1) * T] in zwei Integrale über die Teilintervalle [0, k * T] und [k * T, (k+1) * T] auf und berücksichtigt, daß das Integral über das erste Intervall nichts anderes als UI(k * T) ist, so erhält manis present. The pre-factor 1 / T is used to normalize to the time interval T, so that an interval mean emerges from the corresponding area under a curve. Now consider the above integral at a time t = (k + 1) * T, which is an integer multiple of the time interval T. Splitting the integral over the interval [0, (k + 1) * T] into two integrals over the subintervals [0, k * T] and [k * T, (k + 1) * T] and taking into account that the integral over the first interval is nothing more than U I (k * T), we get

Diese Spannung wird im regelmäßigen Zeitabstand T von dem Sample-and-Hold-Glied (S/H, Momentanwertspeicher) 2 abgetastet. Damit liegt für die Dauer eines Zeitintervalls T am Ausgang des S/H-Gliedes 2 der im vorhergehenden Zeitintervall berechnete Wert vor. Die Funktion des S/H-Gliedes 2 ist also durchThis voltage is sampled at regular intervals T by the sample-and-hold element (S / H, instantaneous value memory) 2 . The value calculated in the previous time interval is thus available for the duration of a time interval T at the output of the S / H element 2 . The function of the S / H link 2 is thus through

UM(t)=UI(k * T), für k * T t < (k+1) * T (c)U M (t) = U I (k * T), for k * T t <(k + 1) * T (c)

definiert. Demnach ist der zweite Term im Integral in (b) eine Konstante, über die das Integral ausgeführt werden kann, so daß sich ergibtAre defined. Accordingly, the second term in the integral in (b) is one Constant over which the integral can be executed so that arises

Wegen (c) kompensieren sich die ersten beiden Terme in (d) und es verbleibtBecause of (c), the first two terms in (d) and it remains

Ausgehend von den Formeln (a) und (c), die die Funktion des Integrierers und des Sample-and-Hold-Gliedes beschreiben, wurde durch identische mathematische Umformung bewiesen, daß zu jedem Zeitpunkt, der ein ganzzahliges Vielfaches des Zeitintervalls T ist, am Ausgang 1.3 des Integrierers 1 das über das soeben verstrichene Intervall T gebildete Mittel des Eingangssignals (e) vorliegt. Das nachgeschaltete S/H-Glied hält diesen Wert für die Dauer eines Intervalls fest.Starting from formulas (a) and (c), which describe the function of the integrator and the sample-and-hold element, it was proved by identical mathematical transformation that at every point in time that is an integer multiple of the time interval T, on Output 1.3 of the integrator 1 has the mean of the input signal (e) formed over the interval T just passed. The downstream S / H link holds this value for the duration of an interval.

Die Funktion der Vorrichtung nach Fig. 1 wird anhand eines vorgegebenen Eingangssignals U(t) nochmals verdeutlicht. In Fig. 2 stellt die wellige Kurve den Signalverlauf dar und die durchgezogenen waagerechten Linien den jeweiligen Invervallmittelwert, der allerdings erst am Ende des Zeitintervalls bestimmt ist. In einem Intervall schneidet die Mittelwertsgerade die Signalkurve in der Weise, daß von der Fläche, welche die Signalkurve mit der Mittelwertsgeraden als Grundlinie einschließt, die Anteile oberhalb und unterhalb dieser Grundlinie exakt gleich sind. Es sei das erste Zeitintervall [0,T] betrachtet: Der Anfangswert des S/H-Gliedes 2 sei auf Null gesetzt, weshalb der vom Integrierer 1 berechnete Mittelwert nach Gleichung (a) allein aus der (schraffierten) Fläche unterhalb der Signalkurve hervorgeht; dieser Wert ist als senkrechter Pfeil 4 in Fig. 2 dargestellt. Im zweiten Zeitintervall [T,2T] kommt fortlaufend eine Korrektur zu diesem ersten Mittelwert hinzu, die sich aus dem Integral über die Abweichung der Signalkurve von dem durch das S/H-Glied 2 festgehaltenen ersten Mittelwert (gestrichelte Linie) ergibt. Am Ende des zweiten Intervalls steht der neue Mittelwert (Pfeil 5) fest, die insgesamt gebildete Korrektur (Pfeil 5.1) ist negativ, da das Integral (schraffierte Fläche) den größten Beitrag aus der Fläche unterhalb des alten Mittelwertes bekommt. Im dritten Intervall [2T,3T] wird dieser zweite Mittelwert 5 seinerseits im S/H-Glied festgehalten, während im Integrierer in der geschilderten Weise der zweite Mittelwert fortlaufend korrigiert wird. Die gesamte Korrektur ist nun positiv (Pfeil 6.1), da im Mittel das Signal oberhalb des vorhergehenden Mittelwertes liegt. Der neue Mittelwert (Pfeil 6) steht damit am Ende des dritten Zeitintervalls fest und wird wiederum vom S/H-Glied abgetastet.The function of the device according to FIG. 1 is clarified again on the basis of a predetermined input signal U (t). In Fig. 2 the wavy curve represents the signal curve and the solid horizontal lines the respective interval mean, which is however only determined at the end of the time interval. The mean straight line intersects the signal curve in such an interval that the areas above and below this baseline are exactly the same from the area which includes the signal curve with the mean straight line as the baseline. The first time interval [0, T] is considered: The initial value of the S / H element 2 is set to zero, which is why the mean value calculated by the integrator 1 according to equation (a) arises solely from the (hatched) area below the signal curve; this value is shown as vertical arrow 4 in FIG. 2. In the second time interval [T, 2T], a correction is continuously added to this first mean, which results from the integral of the deviation of the signal curve from the first mean (dotted line) recorded by the S / H element 2 . At the end of the second interval the new mean (arrow 5 ) is fixed, the overall correction (arrow 5.1 ) is negative, since the integral (hatched area) receives the greatest contribution from the area below the old mean. In the third interval [2T, 3T], this second mean value 5 is in turn recorded in the S / H element, while the second mean value is continuously corrected in the integrator in the manner described. The entire correction is now positive (arrow 6.1 ), since on average the signal is above the previous average. The new mean value (arrow 6 ) is thus fixed at the end of the third time interval and is again sampled by the S / H link.

Es sind andere Vorrichtungen denkbar, bei denen, um die Mittelwertbildung jeweils auf ein Intervall zu begrenzen, ein Integrator zu Beginn eines jeden Intervalls auf Null zurückgesetzt wird. Diesen zusätzlichen Schritt vermeidet man bei der erfindungsmäßigen Vorrichtung, da das Signal fortlaufend mit dem zuletzt gebildeten Intervallmittel verglichen und über die Abweichung integriert wird, womit am Ende eines Zeitintervalls die Korrektur feststeht, mit welcher der neue Mittelwert aus dem alten hervorgeht.Other devices are conceivable in which the averaging to limit each to an interval, an integrator reset to zero at the beginning of each interval becomes. This additional step is avoided with the device according to the invention since the signal is continuous with compared to the last interval mean formed and over the Deviation is integrated, which means at the end of a time interval the correction with which the new mean value is determined emerges from the old.

In dem obigen Ausführungsbeispiel wurde von analogen Funktionsbausteinen 1 und 2 ausgegangen, selbstverständlich kann die Vorrichtung auch in Digitaltechnik realisiert werden.In the above embodiment, analog function blocks 1 and 2 were used as a starting point, of course the device can also be implemented in digital technology.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Mittelung eines zeitveränderlichen Signals, die das Signal über äquidistante, aufeinanderfolgende Zeitintervalle der Dauer T mittelt, wobei während der Bildung eines Intervallmittels gleichzeitig das gebildete Mittel aus dem vorhergehenden Zeitintervall ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitveränderliche Signal auf den einen Eingang (1.1) eines Integrierers (1) geführt wird, dessen Ausgang (1.3) von einem Glied mit Sample-and-Hold-Funktion (2) mit konstanter Frequenz f=1/T (Taktgeber 3) abgetastet wird, an dessen Ausgang (2.2) das gebildete Mittel ausgegeben wird, welches zudem auf den anderen Eingang (1.2) des Integrierers (1) negativ zurückgeführt wird.1. A device for averaging a time-varying signal, which averages the signal over equidistant, successive time intervals of the duration T, the mean formed from the previous time interval being output at the same time during the formation of an interval means, characterized in that the time-varying signal is at the one input ( 1.1 ) an integrator ( 1 ) is guided, the output ( 1.3 ) of which is sampled by a element with a sample-and-hold function ( 2 ) with a constant frequency f = 1 / T (clock generator 3 ), at whose output ( 2.2 ) the means formed is output, which is also fed back negatively to the other input ( 1.2 ) of the integrator ( 1 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sample-and-Hold-Funktion (2) und der Taktgeber (3), durch einen Mikrokontroller (2′) realisiert werden, der ein Analogsignal oder ein (pulsweitenmoduliertes) PWM-Signal ausgibt, das auf den anderen Eingang (1.2) des Integrierers (1) negativ zurückgeführt wird.2. Device according to claim 1, characterized in that the sample-and-hold function ( 2 ) and the clock generator ( 3 ), by a microcontroller ( 2 ' ) can be realized, the an analog signal or a (pulse width modulated) PWM signal outputs that is fed back to the other input ( 1.2 ) of the integrator ( 1 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (3) mit einem (pulsweitenmodulierten) PWM- Signal in der Weise synchronisiert ist, daß das Zeitintervall T genau eine Periode des PWM-Signals überstreicht, und das PWM- Signal direkt oder als Antwort einer Regelgröße auf das ein Stellglied ansteuernde PWM-Signal am Eingang (1.1) des Integrierers (1) anliegt.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the clock generator ( 3 ) is synchronized with a (pulse width modulated) PWM signal in such a way that the time interval T covers exactly one period of the PWM signal, and the PWM signal directly or as the response of a controlled variable to the PWM signal controlling an actuator at the input ( 1.1 ) of the integrator ( 1 ).
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