DE4233410C1

DE4233410C1 - Digital/Analog-Umsetzverfahren

Info

Publication number: DE4233410C1
Application number: DE19924233410
Authority: DE
Inventors: Dieter Beckmann; Hans Proels
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1992-10-05
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2012-10-06

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Digital/Analog- Umsetzverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Digital/Analog-Umsetzverfahren ist aus dem Aufsatz von M. Heiss und W. Dittrich "Pulsanzahlmodulator als D/A-Umsetzer", Z. "Elektronik", 15. 09. 1989 Seiten 96 bis 98, bekannt. Der beschriebene Digital/Analog-Umsetzer setzt den seinem Eingang zugeführten Digitalwert in eine Impulsfolge um, deren zeitlicher Mittelwert von einem Filter gebildet wird. Am Ausgang des Filters steht der Analogwert an. In dieser Veröffentlichung werden Pulsbreitenmodulatoren und Pulsanzahlmodulatoren gegenübergestellt. Obwohl Pulsbreitenmodulatoren in CMOS-Technik einfach herzustellen sind und eine ausgezeichnete Linearität aufweisen, steht der Fachmann bei Umsetzern mit einer Auflösung von mehr als 8 Bit und einer ausreichend kleinen Ausgangswelligkeit vor der Entscheidung zwischen einem langsamen Einschwingen der Ausgangsspannung oder der Verwendung einer hohen Taktfrequenz. Die Impulsfolgen setzen sich jeweils aus Einzelimpulsen gleicher Dauer zusammen, deren Anzahl pro Periode proportional dem Digitalwert ist. Wie die Gegenüberstellung der Impulsfolgen beim Pulsbreitenmodulator und beim Pulsanzahlmodulator zeigt, läßt sich durch Einsatz eines Pulsanzahlmodulators eine Verbesserung erreichen, da bei dem Pulsanzahlmodulator die Einzelimpulse möglichst gleichmäßig über die gesamte Periode verteilt sind. Damit sinkt der Aufwand für das zur Mittelwertbildung dienende Filter.

Um bei einem Pulsanzahlmodulator eine hohe Auflösung zu erreichen, bieten sich zunächst zwei Wege an:

1. Bei gegebener Dauer der Einzelimpulse wird die Anzahl der Einzelimpulse pro Periode erhöht. Dieses Verfahren führt aber zu einer Verlängerung der Periodendauer, erfordert deswegen ein aufwendiges Filter zur Mittelwertbildung und verschlechtert damit die Dynamik.
2. Die Anzahl der maximal möglichen Einzelimpulse pro Periode wird durch Verkürzung der Dauer der Einzelimpulse erhöht. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß bei der Verwendung eines Mikroprozessors in dem Digital/Analog-Umsetzer bei einer hohen Auflösung die Rechenzeit des Mikroprozessors übermäßig beansprucht wird. Legt man z. B. eine Periodendauer von 64 ms und eine Auflösung von 8 Bit zu Grunde, so ist alle 250 µs eine Bearbeitung durch den Mikroprozessor erforderlich. Wenn für die Impulserzeugung 10 µs Rechenzeit verbraucht werden, ist eine Auslastung des Mikroprozessors von 4% gegeben. Wird bei gleicher Periodendauer jedoch eine Auflösung von 12 Bit gefordert, wird bereits alle 15,6 µs eine Bearbeitung durch den Mikroprozessor notwendig; allein durch die Impulserzeugung steigt die Auslastung des Mikroprozessors auf 64% an.

In beiden Fällen kann daher eine hohe Auflösung nur mit großen Nachteilen erkauft werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Digital/Analog- Umsetzverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das sich für die Verwendung eines Mikroprozessors in dem Digital/Analog- Umsetzer eignet, das eine hohe Auflösung ermöglicht und mit dem eine Digital/Analog-Umsetzung über den gesamten Bereich des Stellgrades von 0% bis 100% realisierbar ist. Als Stellgrad wird dabei der Mittelwert der Impulsfolge bezeichnet, er entspricht dem Analogwert nach der Filterung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Die Erfindung erlaubt bei vorgegebener Höhe der Auflösung die Periodendauer gegenüber dem bekannten Verfahren zu verkürzen, was wiederum die Dynamik des Ausgangssignals verbessert und weniger Aufwand für die Filterung notwendig macht. Gleichzeitig wird die zeitliche Belastung des Mikroprozessors verringert, da die Erzeugung der Feinimpulse in jedem Bearbeitungsintervall nur wenige zusätzliche Prozessorzyklen erfordert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die maximale Anzahl der Feinimpulse pro Periode kann unabhängig von der Dauer der Grobimpulse gewählt werden. Vorteilhafterweise ist die Dauer eines Feinimpulses gleich der Dauer eines Grobimpulses dividiert durch die Anzahl der in einer Periode maximal zur Einfügung vorgesehenen Feinimpulse. Bei einem Stellgrad größer als 50% werden keine Feinimpulse hinzugefügt, sondern - nach Erhöhung der Anzahl der Grobimpulse um einen Grobimpuls - die dem gewünschten Stellgrad entsprechende Anzahl von Feinimpulsen abgezogen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den zum Stand der Technik gehörenden zeitlichen Verlauf der periodischen Impulsfolge für verschiedene Werte des Stellgrades,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der periodischen Impulsfolge bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für verschiedene Werte des Stellgrades im Bereich zwischen 4/16 (=25%) und 5/16 (=31,25%),

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der periodischen Impulsfolge bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für verschiedene Werte des Stellgrades im Bereich zwischen 7/16 (=43,75%) und 8/16 (=50%) und

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der periodischen Impulsfolge bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für verschiedene Werte des Stellgrades im Bereich zwischen 12/16 (=75%) und 13/16 (81,25%).

Um das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen deutlicher darstellen zu können, wird in der folgenden Beschreibung von einem Ausführungsbeispiel ausgegangen, bei dem die Periodendauer gleich der 16fachen Dauer eines Grobimpulses ist.

Im folgenden ist die Periodendauer mit T_P, die Dauer eines Grobimpulses mit T_G und die Dauer eines Feinimpulses mit T_F bezeichnet.

Die in der Fig. 1 dargestellte Impulsfolge entspricht der aus der oben genannten Veröffentlichung aus der Zeitschrift "Elektronik", 15. 09. 1989, auf Seite 96 in der rechten Hälfte von Bild 1 wiedergegebenen Impulsfolge. Bei der gewählten Periodendauer von 16 Grobimpulsen lassen sich - bezogen auf die Dauer einer Periode - 17 verschiedene Werte des Stellgrades darstellen. Dabei ist der Stellgrad durch das Verhältnis zwischen dem aktuellen Wert und dem maximalen Wert der dem Digital/Analog-Umsetzer zugeführten Digitalzahl bestimmt.

In der Fig. 1 sind die Impulsfolgen für einen Stellgrad von 0% bis 100% in Schritten von 1/16 (=6,25%) übereinander dargestellt. Zwischenwerte des Stellgrades sind nicht realisierbar.

In der Fig. 2 ist der Bereich des Stellgrades zwischen den Werten 32/128=4/16 (=25%) und 40/128=5/16 (=31,25%) dargestellt. Zwischen diesen beiden Werten sind durch die erfindungsgemäß in die periodische Impulsfolge eingefügten Feinimpulse sieben weitere Werte des Stellgrades realisierbar. Das ergibt eine Schrittweite von 1/128 (=0,78125%).

Bei den Feinimpulsen handelt es sich um zusätzliche Impulse gleicher Dauer. Die Anzahl der maximal einfügbaren Feinimpulse ist durch die Anzahl der Impulslücken bei einem Stellgrad von 50% begrenzt. Die Dauer T_F eines Feinimpulses ergibt sich aus der Dauer T_G eines Grobimpulses dividiert durch die um eins erhöhte Anzahl der in einer Periode zur Einfügung vorgesehenen Feinimpulse. Vorteilhafterweise ist die Dauer T_F eines Feinimpulses ein ganzzahliges Vielfaches der Zykluszeit des verwendeten Mikroprozessors. Daraus ergibt sich dann die maximale Anzahl der für die Einfügung vorgesehenen Feinimpulse und damit die Auflösung des Digital/Analog-Umsetzers. Die bestmögliche Auflösung ergibt sich bei einer vollständigen Ausnutzung der Impulslücken.

In der Fig. 2 ist die Dauer T_F eines Feinimpulses gleich einem Achtel der Dauer T_G eines Grobimpulses gewählt worden, d. h. es sind maximal sieben Feinimpulse innerhalb einer Periode zwischen die Grobimpulse eingefügt. Da in dem gewählten Beispiel acht Feinimpulse einem Grobimpuls entsprechen, wird beim Stellgrad 40/128=5/16 (=31,25%) anstelle von acht zusätzlichen Feinimpulsen ein zusätzlicher Grobimpuls in die periodische Impulsfolge eingefügt. Feinimpulse sind nur in den Lücken angeordnet, die sich bei einem Stellgrad von 50% ergeben. Aus diesem Grund sind bei 16 Impulsen pro Periodendauer nur maximal acht zusätzliche Feinimpulse einfügbar. In diesem Ausführungsbeispiel sind von den acht Feinimpulsen nur sieben Feinimpulse für die Digital/Analog- Umsetzung nutzbar, da anstelle von acht Feinimpulsen ein zusätzlicher Grobimpuls in die Impulsfolge eingefügt wird.

In der Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der periodischen Impulsfolge, bei dem erfindungsgemäß in die periodische Impulsfolge als Feinimpulse bezeichnete zusätzliche Impulse gleicher Dauer eingefügt werden, in dem Bereich des Stellgrades zwischen den Werten 56/128=7/16 (=43,75%) und 64/128=8/16 (=50%) dargestellt. Zwischen diesen beiden Werten sind durch die eingefügten Feinimpulse ebenfalls sieben weitere Werte des Stellgrades realisierbar.

In der Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der periodischen Impulsfolge in dem Bereich des Stellgrades zwischen den Werten 96/128=12/16 (=75%) und 104/128=13/16 (=81,25%) übereinander dargestellt. Hier handelt es sich um einen Bereich des Stellgrades, der größer als 50% ist. Die Anzahl der Grobimpulse ist von 12 (bei einem Stellgrad von 75%) um einen auf 13 Grobimpulse erhöht worden. Dies entspricht in dem Ausführungsbeispiel einem Stellgrad von 81,25%. Gleichzeitig wird jeweils eine entsprechende Anzahl von Feinimpulsen von den Grobimpulsen abgezogen, so daß sich der gewünschte Stellgrad zwischen 75% und 81,25% ergibt. Je höher der gewünschte Stellgrad ist, desto weniger Feinimpulse werden abgezogen.

Werden - wie in der Fig. 4 - von der Impulsfolge Feinimpulse abgezogen, so erfolgt dies nur an denjenigen Stellen, an denen bei einem Stellgrad von 50% Impulse auftreten. Aus diesem Grund sind bei 16 Impulsen pro Periodendauer maximal acht Feinimpulse abziehbar. Von diesen acht möglichen Feinimpulsen sind in diesem Ausführungsbeispiel nur sieben Feinimpulse für die Feinstufung nutzbar, da acht Feinimpulse einem Grobimpuls entsprechen.

In der Praxis ist die Anzahl der Grobimpulse während der Dauer einer Periode wesentlich größer als die hier gewählten 16 Grobimpulse. In einem Digital/Analog-Umsetzer mit 256 Grobimpulsen von 250 µs Dauer ergibt sich eine Periodendauer T_P von 64 ms und eine Grundauflösung von acht Bit. Durch das Einfügen der Feinimpulse (maximal 128 Feinimpulse von 1,95 µs Dauer) steigt die Auflösung des Digital/Analog-Umsetzers auf 16 Bit. Dies bedeutet, daß bei einer für die Erzeugung eines Grobimpulses mit anschließendem Feinimpuls erforderlichen Rechenzeit des Mikroprozessors von 10 µs maximal 128_*10 µs = 1,28 ms für die Erzeugung der Grob- und Feinimpulse benötigt werden. Das sind 2% der Dauer T_P einer Periode. Der Mikroprozessor benötigt damit nur 2% seiner Rechenzeit für die Digital/Analog-Umsetzung. Die restliche Rechenzeit steht für andere Aufgaben zur Verfügung.

Claims

1. Digital/Analog-Umsetzverfahren, bei dem ein umzusetzender Digitalwert durch das Tastverhältnis einer zeitlichen Folge von Impulsen (periodische Impulsfolge) innerhalb einer vorgebbaren Periodendauer dargestellt wird und bei dem die einzelnen Impulse möglichst gleichmäßig auf die gesamte Periodendauer aufgeteilt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in die periodische Impulsfolge zusätzliche Impulse (Feinimpulse) eingefügt werden, deren Dauer kürzer als die Dauer der einzelnen Impulse (Grobimpulse) der periodischen Impulsfolge ist.

2. Digital/Analog-Umsetzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinimpulse gleich lang sind, wobei die Dauer eines Feinimpulses gleich der Dauer eines Grobimpulses dividiert durch die um eins erhöhte Anzahl der in einer Periode maximal zur Einfügung vorgesehenen Feinimpulse ist.

3. Digital/Analog-Umsetzverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß bei Digitalzahlen, deren Wert bis zu 50% des maximalen Wertes der dem Digital/Analog-Umsetzer zugeführten Digitalzahl beträgt, die Feinimpulse zu den Grobimpulsen hinzugefügt werden und
- daß bei Digitalzahlen, deren Wert größer als 50% des maximalen Wertes der dem Digital/Analog-Umsetzer zugeführten Digitalzahl ist, die Anzahl der Grobimpulse um einen Grobimpuls erhöht wird und eine entsprechende Anzahl von Feinimpulsen von den Grobimpulsen abgezogen werden.

4. Digital/Analog-Umsetzverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer eines Feinimpulses ein ganzzahliges Vielfaches der Zykluszeit eines Mikroprozessors ist.