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Hintergrung der Erfindung
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Die vorliegende Endung bezieht sich
allgemein auf adaptive Digitalfilter und insbesondere auf ein adaptives
Digitalfilter zum Verbessern der Messgenauigkeit eines elektronischen
Instruments.
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Es gibt eine Vielzahl elektronischer
Instrumente zum Messen von elektrischen Signalen. In einem typischen
elektronischen Instrument wird das Signal an eine analoge Eingangsschaltung
angelegt, die Verstärker,
Dämpfungsglieder,
Filter, Spannungsschutzgeräte
und andere Schaltungen zur Verarbeitung des Eingangssignals vor
einem Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) aufweisen kann. Ein Digital-Multimeter
ist ein Beispiel für
ein allgemein erhältliches elektronisches
Instrument, mit dem Gleichstrom- und Wechselstromspannungen,
der Gleichstromwiderstand sowie die Wechselstrom- und Gleichstromstromstärke gemessen
werden können.
Die Eingangsschaltung ist nötig,
um das Digital-Multimeter für
jeden dieser Messmodi zu konfigurieren und ein modifiziertes Signal
zu liefern, das mit der ADC-Schaltung gemessen werden kann.
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Die Eingangsschaltung wird üblicherweise zum
Verschieben des Spannungspegels benutzt, so etwa um Niederspannungssignale
auf einen zur Messung mit dem ADC geeigneten Pegel zu verstärken und
um Hochspannungssignale auf einen zur Messung mit dem ADC geeigneten
Pegel zu dämpfen. Die
Eingangsschaltung kann auch benutzt werden, um das elektronische
Instrument gegen das versehentliche Anlegen hoher Spannungspegel
zu schützen,
die das Instrument beschädigen
können,
um das Signal zur Beseitigung unerwünschter Frequenzanteile außerhalb
des gewünschten
Messbereichs die die Genauigkeit negativ beeinflussen können, zu
filtern oder um das Signal auf die verschiedenen Verstärker, Dämpfungsglieder
und Filter zu schalten, um das elektronische Instrument für eine Vielzahl
von Messmodi zu konfigurieren.
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Die Messgenauigkeit ist oft ein wichtiger
Parameter von elektronischen Instrumenten. Elektronische Instrumente
müssen
im Allgemeinen bei der Messung von Wechselstromsignalen über einen
bestimmten Frequenzbereich eine bestimmte Genauigkeit aufrechterhalten.
Im Idealfall sprechen die Eingangsschaltung und der ADC in dem elektronischen Instrument
gleichermaßen
auf Signale in dem angegebenen Frequenzbereich an. In der Praxis
haben Eingangsschaltungen und Analog-zu-Digital- Konverter jedoch keinen derart idealen
Frequenzgang, und ein Frequenzausgleich ist erforderlich, um eine
annehmbare Genauigkeit zu erzielen.
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In elektronischen Instrumenten nach
dem bisherigen Stand der Technik wurden verschiedene Verfahren zur
Aufrechterhaltung der Messgenauigkeit über einen ausgewählten Bereich
von Frequenzen benutzt. Analoge Kompensationsverfahren basieren
entweder auf einem auslegungstechnischen „Overkill", wobei die Produktionsabweichungen
deutlich geringer als die Auslegungstoleranzen sind, oder einem
manuellen Einstellen von Schaltungsparametern zur Änderung
der Form des Frequenzverhaltens der Eingangsschaltung entsprechend
einer gewünschten
Frequenzempfindlichkeit und Genauigkeit. Obwohl solche analogen
Kompensationsverfahren wirksam sind, erfordert ihre Implementierung
zusätzliche
Bauteilkosten und Fertigungszeit, was die Herstellungskosten des
Produkts sowie die Wartungs- und Kalibrierungskosten über die
Lebensdauer des Produkts erhöht.
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Ein anderes Verfahren zur Erzielung
einer gewünschten
Genauigkeit eines elektronischen Instruments, das eine vereinfachte
Eingangsschaltung ermöglicht,
ist das Messen des Frequenzgangs der Eingangsschaltung mit einem
Kalibrierungssignal mit einer bekannte Amplitude über einen
Bereich von Frequenzen und das Aufzeichnen der Messwerte in einer
Verweistabelle. Auf diese Weise können die Messwerte für ein Signal
anhand der Werte in der Verweistabelle normalisiert werden, um normalisierte Messwerte
mit höherer
Genauigkeit zu erhalten. Dieses Verfahren ist effektiv, solange
die Frequenz des gemessenen Signals bekannt ist, damit in der Verweistabelle
der richtige Wert gewählt
wird, um den Messwert zu normalisieren.
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Das Patent US-A-4 684 925 beschreibt
ein Verfahren zur Analog-Digital-Wandlung, das die Schritte der Überabtastung
(„Over-sampling")
eines analogen Eingangssignals und der Durchführung komplizierter Abläufe bei
einer niedrigeren Frequenz und einfacher Operationen bei einer hohen
Frequenz umfasst, wodurch eine präzise Codierung erreicht wird.
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Das Patent US-A-4 943 807 beschreibt
einen selbstkalibrierenden Analog-zu-Digital-Konverter, der zur Korrektur
von Abweichungen und Verstärkungsfehlern
betreibbar ist.
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Das Patent US-A-S 257 026 beschreibt
ein Verfahren zum Kalibrieren eines Analog-Digital-Signalwandlers,
bei dem die Linearitätsfehler
eines Delta-Sigma-Modulators mit mehrpegeligem Ausgang kompensiert
werden.
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Daher wäre es wünschenswert, in einem elektronischen
Instrument eine verbesserte Messgenauigkeit für Wechselstromsignale über einen
bestimmten Messfrequenzbereich mit einer vereinfachten Eingangsschaltung
zu erzielen, die keine Einstellung ihres Frequenzgangs bzw. ihrer
Frequenzempfindlichkeit erfordert. Weiterhin wäre es wünschenswert, ein Verfahren
zum Frequenzausgleich bereitzustellen, bei dem die Frequenz des
gemessenen Eingangssignals in dem gewünschten Messfrequenzbereich
nicht bekannt sein muss.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Nach der vorliegenden Erfindung wird
ein adaptives Digitalfilter bereitgestellt, um eine verbesserte
Messgenauigkeit in einem elektronischen Instrument zu erzielen.
Eine Eingangsschaltung in dem elektronischen Instrument stellt alle
nötigen
Dämpfungs-,
Verstärkungs-,
Filterungs-, Schutz- und Schaltfunktionen bereit, die erforderlich
sind, um das Eingangssignal zum Messen an einen Analog-zu-Digital-Konverter
(ADC) anzulegen. Der ADC liefert Messwerte in der Form von Digitaldaten,
die gespeichert und mathematisch bearbeitet werden können. Der
ADC muss eine Abtastrate aufweisen, die mindestens dem Zweifachen
der höchsten
Frequenz des gewünschten
Frequenzbereichs entspricht, um eine ausreichende Zeitauflösung zur
Berechnung der digitalen Filterwerte des adaptiven Digitalfilters
zu ermöglichen.
Höhere
Abtastraten liefern eine höhere Zeitauflösung des
Eingangssignals und eine proportional höhere Genauigkeit des gemessenen
Signals, weil die Frequenznormalisierung mit einem adaptiven Digitalfilteigenauer
ist.
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Während
einer Kalibrationsphase ist eine Kalibrierungssignalquelle mit bekannten
Spannungs- und Frequenzeigenschaften vorgesehen, wenn das Normalisieren
der Eingangsschaltung durchgeführt werden
muss. Das Kalibrierungssignal wird gemessen, und die digitalen Filterwerte
werden optimiert, um die Frequenzgangeffekte der Eingangsschaltung zu
beseitigen. Während
einer Messphase wird ein zu messendes Eingangssignal an den Eingang
der Eingangsschaltung angelegt und eine Kette von Messwerten, erzeugt
von dem ADC, wird von dem adaptiven Digitalfilter mittels Faltung
in der Zeitdomäne
verarbeitet, um eine Kette von normalisierten Messwerten zu erhalten.
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Die digitalen Filterwerte werden
durch Anlegen der Kalibrierungssignalqelle an den Eingang der Eingangsschaltung,
Messen der Kalibrierungssignalquelle zum Erhalt einer Kette von
Kalibrations-Messwerten entsprechend dem Kalibrierungssignal und Vergleichen
der Kette von Kalibrations-Messwerten mit einer idealen Kette von
Kalibrations-Messwerten zum Erhalt eines Fehlervektors berechnet.
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Mit einer Vielzahl von adaptiven
digitalen Filterverfahren, einschließlich Filtern mit begrenztem Impulsansprechen
(FIR-Filter), werden die Messwerte dann von dem adaptiven Digitalfilter
mit einem Verfahren der Faltung verarbeitet, um die Frequenzverzerrungseffekte
der Eingangsschaltung zu beseitigen. Die Entsprechung dieses Faltungsverfahrens
in der Frequenzdomäne
ist das Multiplizieren der Messwerte mit dem Reziproken des Frequenzgangs
der Eingangsschaltung zum Normalisieren seiner Effekte. Weil das
Transformieren der Messwerte aus der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne zwecks
Normalisierung und danach wieder zurück in die Zeitdomäne außerordentlich
komplex ist und aufwändige
Berechnungen erfordert, ist es wünschenswert,
ein Digitalfilter zu implementieren, das die Messwerte in der Zeitdomäne bearbeitet.
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Mittels Faltung kann das adaptive
Digitalfilter die Entsprechung des Normalisierens vollständig in der
Zeitdomäne
durchführen.
Die adaptiven digitalen Filterwerte, die zur Durchführung der
Faltung nötig sind,
werden nach einem adaptiven Algorithmus berechnet, um die Unterschiede
zwischen einem Schätzsignal
und dem gewünschten
Signal zu minimieren. Für
das FIR-Filter können
die digitalen Filterwerte nach einem für FIR-Filter bekannten und
angewandten adaptiven Algorithmus berechnet werden. In der bevorzugten
Ausführungsform
wurde wegen seiner Einfachheit und einfachen Anwendung der Algorithmus
der kleinsten mittleren Quadrate gewählt. Andere dem Fachmann bekannte
adaptive Algorithmen können
ebenfalls benutzt werden. Nach der Berechnung werden die digitalen
Filterwerte von dem adaptiven Digitalfilter benutzt, um die Messwerte
zu verarbeiten, wenn diese in der Kette von Messwerten erfasst werden,
die mit einer bekannten Abtastrate ankommen. Die Kette von Messwerten
wird dann in dem adaptiven Digitalfilter entsprechend den digitalen
Filterwerten mit sich selbst gefaltet, um eine neue Kette von normalisierten
Messwerten zu erhalten, bei denen die Frequenzverzerrungseffekte
der Eingangsschaltung minimiert sind.
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Die Messwerte werden dem adaptiven
Digitalfilter zugeführt,
das jeden der Messwerte mathematisch bearbeitet, um die Frequenzgangeffekte
der Eingangsschaltung mit einer Reihe von digitalen Filterwerten
zu beseitigen. Weil die Messwerte entsprechend der Reihe von digitalen
Filterwerten in dem adaptiven Digitalfilter verarbeitet werden,
die aus den Kalibrations-Messwerten berechnet werden. muss die Frequenz
des Eingangssignals innerhalb des gewünschten Frequenzbereichs nicht
bestimmt werden.
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Das adaptive Digitalfilter arbeitet
mit den Messwerten, die mit der bekannten Abtastrate ankommen. Weil
die Frequenzganganforderungen der Eingangsschaltung durch die Hinzufügung des
adaptiven Digitalfilters vereinfacht worden sind, das Abweichungen
ausgleicht, kann eine einfachere Eingangsschaltung mit weniger Bauteilen
benutzt werden. Das Verfahren des manuellen Einstellens des Frequenzgangs
der Eingangsschaltung entfällt,
weil das adaptive Digitalfilter die Abweichungen einer bestimmten
Eingangsschaltung berücksichtigt.
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Ein Zweck der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzielung einer höheren Messgenauigkeit
in einem elektronischen Instrument mit einem adaptiven Digitalfilter.
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Ein weiterer Zweck der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzielung
einer höheren
Messgenauigkeit in einem elektronischen Instrument mit einem adaptiven
Digitalfilter, das in der Zeitdomäne arbeitet, um die Frequenzgangeffekte
der Eingangsschaltung zu beseitigen.
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Ein weiterer Zweck der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzielung
einer vereinfachten Eingangsschaltung, die kein Einstellen ihres
Frequenzgangs erfordert, in einem elektronischen Instrument mit
einem adaptiven Digitalfilter zur Beseitigung der Frequenzgangeffekte der
Eingangsschaltung.
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Ein zusätzlicher Zweck der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzielung
einer vereinfachten Eingangsschaltung, die kein Einstellen ihres
Frequenzgangs erfordert, in einem elektronischen Instrument mit
einem FIR-Filter, das in der Zeitdomäne arbeitet, um die Frequenzgangeffekte
der Eingangsschaltung zu beseitigen.
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Weitere Merkmale, Errungenschaften
und Vorteile erschließen
sich dem Fachmann beim Lesen der folgenden Beschreibung zusammen
mit den zugehörigen
Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1.
zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines elektronischen Instruments
mit einer Eingangsschaltung mit einem Freguenzausgleich nach dem
Stand der Technik.
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2A bis 2C sind Diagramme, die einen
idealen Frequenzgang im Vergleich zu einem tatsächlichen Frequenzgang, einen
korrigierten Freguenzgang und eine Verweistabelle für einen
gemessenen Frequenzgang einer Eingangsschaltung nach dem Stand der
Technik zeigen.
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3 zeigt
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines elektronischen Instruments
mit einer Eingangsschaltung mit Frequenzausgleich mittels eines
adaptiven Digitalfilters nach der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm (nicht maßstabsgerecht) der mit einer
Abtastrate ankommenden Messwerte, die von dem adaptiven Digitalfilter
verarbeitet werden, um normalisierte Messwerte in dem elektronischen
Instrument in 3 zu erhalten.
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5 zeigt
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Filters mit begrenztem Impulsansprechen
(FIR-Filter), wie es in dem adaptiven Digitalfilter in dem elektronischen
Instrument in 3 nach
der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
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6 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erzielung einer verbesserten
Messgenauigkeit mit dem adaptiven Digitalfilter in 5 nach der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines elektronischen Instruments 10 nach dem
bisherigen Stand der Technik. Bei dem elektronischen Instrument 10 kann
es sich um eines von vielen elektronischen Prüf- und Messinstrumenten handeln,
deren grundsätzliche
Funktion darin besteht, elektrische Signale mit verschiedenen Frequenzen zu
messen, typischerweise in einem Frequenzbereich unter 1 Megahertz.
Digital-Multimeter,
Datenerfassungsgeräte
und digitale Signalanalysatoren sind Beispiele für solche Messinstrumente. Bei
dem Eingangssignal kann es sich um eines von vielen elektrischen
Signalen handeln, einschließlich
Spannungs- und Strompegeln, zusammen mit den Ausgangssignalen verschiedener
Arten von Sensoren.
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Über
ein Paar Messkabel 12 wird das Eingangssignal an das elektronische
Instrument 10 angelegt. Eine Eingangsschaltung 14 ist
an die Messkabel l2 angeschlossen, um das Eingangssignal
zu empfangen und es auf einen für
die Messung geeigneten Pegel umzuwandeln. Die benutzte Eingangsschaltung 14 kann
zum Beispiel Niederspannungssignale auf einen zur Messung mit dem
Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) geeigneten Pegel verstärken und
Hochspannungssignale auf einen zur Messung mit dein ADC geeigneten
Pegel dämpfen.
Die Eingangsschaltung 14 kann auch benutzt werden. um das
elektronische Instrument 10 gegen das versehentliche Anlegen
hoher- Span nungspegel zu schützen,
die das Instrument beschädigen
können,
um das Eingangssignal zur Beseitigung unerwünschter Frequenzanteile außerhalb
des gewünschten
Messbereichs, die die Messgenauigkeit negativ beeinflussen können, zu
filtern oder um das Eingangssignal auf die verschiedenen Verstärker, Dämpfungsglieder
und Filter zu schalten, um das elektronische Instrument 10 für eine Vielzahl
von Messmodi zu konfigurieren.
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Ein Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) 16 ist an
die Eingangsschaltung 14 angeschlossen, um das Eingangssignal
zu empfangen und es in eine Kette von Messwerten in Form von Digitaldaten
umzuwandeln. Ein Mikroprozessor 18 ist an den ADC 16 angeschlossen,
um die Messwerte zur weiteren Verarbeitung und Speicherung im digitalen
Speicher zu empfangen. Ein Display 20 ist an den Mikroprozessor 18 angeschlossen,
um die Messwerte in einer für
die Anwendung des elektronischen Instruments 10 geeigneten
numerischen oder grafischen Form anzuzeigen.
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Bei der Durchführung der vielen Funktionen zum
Filtern, Schalten, Verstärken
und Dämpfen
des Eingangssignals führt
die Eingangsschaltung 14 aufgrund von Schwankungen ihres
Frequenzgangs über den
gewünschten
Frequenzbereich des Eingangssignals eine unerwünschte Frequenzverzerrung in
die Messung des Eingangssignals ein. Die Stärke dieser Frequenzverzerrung
bestimmt letztlich die Genauigkeit einer Messung des Eingangssignals
mit dem elektronischen Instrument 10 und muss daher korrigiert
und minimiert werden.
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Das elektronische Instrument 10 hat
zwei getrennte Betriebsphasen, nämlich
eine Kalibrationsphase und eine Messphase. Während der Kalibrationsphase
liefert die Kalibrierungssignalquelle 22, entweder in dem
elektronischen Instrument 10 oder extern von diesem vorgesehen,
ein Kalibrierungssignal mit bekannten Amplituden bei verschiedenen Frequenzen
an den Eingang der Eingangsschaltung 14, das anstelle des
Eingangssignals benutzt wird.
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2A bis 2C sind Diagramme, die einen
idealen Frequenzgang, einen tatsächlichen
Frequenzgang, einen korrigierten Frequenzgang nach dem Stand der
Technik sowie eine Verweistabelle für einen gemessenen Frequenzgang,
ebenfalls nach dem Stand der Technik, zeigen.
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Bezug nehmend auf 2A ist ein Diagramm der Amplitude als
Funktion der Frequenz zu sehen, wobei jede Kurve in dem Diagramm
kollektiv als Frequenzgang bezeichnet wird. Gezeigt sind zwei Freguenzgänge, ein
idealer Frequenzgang 50 und ein tatsächlicher Frequenzgang 52.
Jeder Frequenzgang wird erhalten, indem man ein Kalibrierungssignal
mit bekannter Amplitude über
den gewünschten Frequenzbereich
an den Eingang der Eingangsschaltung 14 anlegt, das Verhältnis der
gemessenen Amplitude zu der tatsächlichen
Amplitude des Kalibrierungssignals über einen Bereich von Frequenzen berechnet
und die so erhaltenen Verhältnisse
in dem Diagramm als Funktion der Amplitude in Abhängigkeit
von der Frequenz aufträgt.
Der ideale Frequenzgang 50 ist erwünscht, weil die Messwerte,
die von dem ADC 16 über
den interessierenden Frequenzbereich zurückgegeben werden, im Wesentlichen
dieselben wie die tatsächlichen
Amplituden des Kalibrierungssignals über den interessierenden Frequenzbereich
sind. der sich bis zur Grenzfrequenz fc erstreckt. Daher wird von
der Eingangsschaltung 14 mit einem idealen Frequenzgang 50 für Eingangssignale in
dem Frequenzbereich von null Hertz bis fc Hertz praktisch keine
Verzerrung eingeführt.
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Ein tatsächlicher Frequenzgang 52 ist
in 2A als ein Beispiel
für einen
Frequenzgang gezeigt, der für
die Eingangsschaltung 14 typischer ist. Die Kurvenform
des tatsächlichen
Frequenzgangs 52 wird durch die Physik aller Blindkomponenten
in dem Signalweg in der Eingangsschaltung 14 bestimmt. Wie
gezeigt, weist der Frequenzgang 52 eine Welligkeit in dem
Durchlassbereich und eine Hochfrequenzdämpfung auf, die im Wesentlichen
niedriger als die Grenzfrequenz fc ist. Weil der tatsächliche Frequenzgang 52 von
dem idealen Frequenzgang 50 abweicht, enthalten die von
dem elektronischen Instrument 10 mit dem tatsächlichen
Frequenzgang 52 erzeugten Messwerte Ungenauigkeiten, die
sich nach den Frequenzanteilen des Eingangssignals richtigen.
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2B ist
ein Diagramm, das ein Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik
zum Einstellen der Eingangsschaltung 14 (in 1 gezeigt) zeigt, und eine
erhöhte
Messgenauigkeit zu erhalten. Der tatsächliche Frequenzgang 52 lässt sich
ohne weiteres messen und charakterisieren, indem man anstelle des
Eingangssignals die Kalibrierungssignalquelle 22 an den
Eingang der Eingangsschaltung 14 anlegt, so wie während einer
Kalibrationsphase des elektronischen Instruments 10. Ausgleichselemente
können
in der Eingangsschaltung 14 vorgesehen werden, unter anderem
Widerstände.
Kondensatoren und Induktoren, deren Werte so gewählt werden, dass sie bewirken,
dass der tatsächliche
Frequenzgang 52 sich stärker
dem idealen Frequenzgang 50 annähert. Das Einstellverfahren
kann vollständig
manuell erfolgen, wobei ein Bediener den tatsächlichen Frequenzgang 52 beobachtet,
während er
manuell die Ausgleichselemente einstellt, um einen korrigierten
Frequenzgang zu erhalten. Das Einstellverfahren kann auch automatisiert
werden, um dasselbe Ergebnis zu erzielen. In jedem Fall müssen die
Einstellungen für
jedes einzelne Instrument vorgenommen werden, was höhere Herstellungskosten und
eine erhöhte
Komplexität
verursacht. 2B zeigt
den tatsächlichen
Frequenzgang 52, einem korrigierten Frequenzgang 54 überlagert,
der durch Dämpfen
der Welligkeit und Erhöhen
der Dämpfungsfrequenz
korrigiert worden ist, um sich stärker dem idealen Frequenzgang 50 anzunähern.
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2C ist
ein Diagramm, das ein Verfahren zur Erzielung einer erhöhten Messgenauigkeit
durch Messen des tatsächlichen
Frequenzgangs 52 und Speichern der Messwerte in einer Verweistabelle 56 zeigt.
Die Verweistabelle 56 kann jetzt herangezogen werden, um
Messwerte eines Eingangssignals zu normalisieren und die Effekte
der Frequenzverzerrung der Eingangsschaltung 14 zu beseitigen.
Diese Verfahren ist effektiv, solange das Eingangssignal Frequenzanteile
in dem gewünschten
Frequenzbereich des elektronischen Instruments aufweist, die bekannt
sind. Jeder Frequenzanteil kann anhand eines entsprechenden Werts
in der Verweistabelle normalisiert werden, um die Effekte des tatsächlichen Frequenzgangs 52 zu
beseitigen. Das Verweistabellenverfahren kann benutzt werden, solange
das Eingangssignal Frequenzanteile in dem gewünschten Frequenzbereich des
elektronischen Instruments aufweist, die bekannt und zahlenmäßig gering
sind, etwa wie im Falle einer Sinuswelle.
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3 zeigt
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines elektronischen Instruments 110,
das mit einem Verfahren zur Erzielung einer erhöhten Messgenauigkeit mittels
eines adaptiven Digitalfilters nach der vorliegenden Erfindung arbeitet.
Das Eingangssignal kann über
ein Paar Messkabel 112 angelegt werden. Eine Eingangsschaltung 114 ist
an die Messkabel 112 angeschlossen, um das Eingangssignal
zu empfangen und es in einen geeigneten Pegel zum Messen umzuwandeln.
In derselben Weise wie die Eingangsschaltung 14 nach dem
bisherigen Stand der Technik kann die hier benutzte Eingangsschaltung 114 Niederspannungssignale
verstärken, Hochspannungssignale
dämpfen,
das elektronische Instrument 110 schützen, das Eingangssignal filtern oder
das Eingangssignal schalten. Bei der Eingangsschaltung 114 ist
jedoch die Notwendigkeit, dass der tatsächliche Frequenzgang 52 möglichst
genau dem idealen Frequenzgang 50 entspricht, deutlich
geringer, wie nachstehend ausführlich
beschrieben wird.
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Ein Überabtastungs-Analog-zu-Digital-Konverter
(ADC) 116 ist an die Eingangsschaltung 114 angeschlossen,
um das Eingangssignal zu empfangen und es in eine Kette von Messwerten
mit einer Abtastrate umzuwandeln. Die zur Reproduktion eines abge tasteten
Signals erforderliche Mindestabtastrate ist normalerweise die Nyquist-Rate,
die gleich dem Zweifachen des höchsten
Frequenzanteils des Eingangssignals ist. Der Überabtastungs-ADC 116 ist
mit einer Abtastrate gewählt,
die deutlich höher
als die Nyquist-Rate ist. Die minimale Abtastrate des Überabtastungs-ADC 116 wird
durch die nötige
Zeitauflösung
zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit des Frequenzausgleichs
bestimmt. Ein adaptives Digitalfilter 117 ist an den Überabtastungs-ADC l16 angeschlossen,
um die Messwerte zu empfangen.
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Das elektronische Instrument 110 hat
zwei getrennte Betriebsphasen, nämlich
die Kalibrationsphase und eine Messphase. Während der Kalibrationsphase
ist die Kalibrierungssignalquelle 122 anstelle des Eingangssignals
an den Eingang der Eingangsschaltung 114 angeschlossen.
Die Kalibrierungssignalquelle 122 liefert das Kalibrierungssignal mit
bekannten Frequenz- und Amplitudeneigenschaften. Das Kalibrierungssignal 122 kann
eine einfache Wellenform haben, z. B. eine Rechteckwelle, die einen
wesentlichen Oberwellengehalt bei den ungeradzahligen Oberschwingungen
ihrer Grundfrequenz aufweist. Alternativ können auch komplexere Wellenformen
für das
Kalibrierungssignal gewählt
werden, um die gewünschten
Signalenergiepegel über
bestimmte Frequenzbereiche zu erhalten, unter anderem eine Rechteckwelle
mit variablem Betriebszyklus, eine frequenz-gewobbelte Sinuswelle
und „weißes Rauschen",
d. h. Zufalls- oder Quasi-Zufallsrauschen, das eine gleichmäßige Signalenergie über ein breites
Frequenzspektrum liefert. Das Erzielen der gewünschten Signalenergiepegel über bestimmte Frequenzbereiche
ist wünschenswert,
um die Genauigkeit des Ausgleichs über den gewünschten Frequenzbereich aufrechtzuerhalten,
der von dem adaptiven Digitalfilter 117 vorgenommen wird,
das die Reihe der aus Messungen des Kalibrierungssignals abgeleiteten
digitalen Filterkonstanten benutzt.
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Die digitalen Filterwerte werden
durch Anlegen der Kalibrierungssignalquelle an den Eingang der Eingangsschaltung,
Messen der Kalibrierungssignalquelle zum Erhalt einer Kette von
dem Kalibrierungssignal entsprechenden Kalibrations-Messwerten und
Vergleichen der Kette von Kalibrations-Messwerten mit einer idealen
Kette von Kalibrations-Messwerten zum Erhalt eines Fehlervektors
berechnet. Dementsprechend werden digitale Filterwerte gewählt, die
den Fehlervektor und somit auch die von der Eingangsschaltung eingeführten Frequenzgangfehler
minimieren.
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Während
der Messphase verarbeitet das adaptive Digitalfilter 117 die
Messwerte anhand einer Reihe von digitalen Filterwerten oder Variablen,
die wie nachstehend aus führlich
beschrieben während der
Kalibrationsphase berechnet werden, um normalisierte Messwerte zu
erhalten. Die normalisierten Messwerte werden dann einem Mikroprozessor 118 zugeführt, der
die normalisierten Messwerte speichert und weiter verarbeitet, die
dann zur visuellen Anzeige an das Display 120 angelegt
werden.
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Durch Reduzieren der durch die Eingangsschaltung 114 nach
der vorliegenden Erfindung eingefuhrten Frequenzgangfehler werden
die Anforderungen an die Eingangsschaltung 114 auf mehrere Weise
wesentlich verringert. Erstens muss der Auslegungs-Frequenzgang der
Eingangsschaltung 114 nicht so nahe wie bisher an dem in 2A gezeigten idealen Frequenzgang 50 liegen,
wodurch die Anzahl der Bauteile und die Schaltungskomplexität verringert
werden. Zweitens sind die Fertigungstoleranzen zwischen Einheiten
wesentlich geringer oder entfallen vollständig, so dass die Notwendigkeit
eines manuellen Einstellens der Eingangsschaltung 114 entfällt und
die erforderlichen Toleranzen für
die Bauteile der Eingangsschaltung 114 geringer sind, wodurch die
Herstellungskosten gesenkt werden.
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4 ist
ein Zeitablaufdiagramm (nicht maßstabsgerecht) der Messwerte,
die in einer ununterbrochene Kette mit der Abtastrate ankommen und von
dem adaptiven Digitalfilter 117 verarbeitet werden, um
normalisierte Messwerte zu erhalten. Der Überabtastungs-ADC 116 tastet
das Eingangssignal mit der Abtastrate kontinuierlich ab und liefert
eine Kette von Messwerten. Die in dem Eingangssignal enthaltene
Frequenzinformation wird in Form einer Zeitaufzeichnung aus der
Kette von Messwerten erfasst. Das adaptive Digitalfilter 117 verarbeitet
mehrere Messwerte aus der Kette gleichzeitig mit einem üblicherweise
als Faltung bezeichneten Verfahren. Jeder Messwert in der Kette
von Messwerten wird mit einer Reihe von digitalen Filterwerten multipliziert und
zu den anderen Messwerte in der Kette addiert, um eine zweite Kette
von normalisierten Messwerten zu erhalten. Die Anzahl der gleichzeitig
von dem adaptiven Digitalfilter 117 verarbeiteten Messwerte
wird durch dessen Länge
oder die Anzahl der Stufen bestimmt. Die Länge des adaptiven Digitalfilters 117 ist wiederum
abhängig
von Überlegungen
im Hinblick auf die erforderliche Genauigkeit der normalisierten Messwerte
und die Komplexität
der Lösungsberechnungen
für eine
größere Anzahl
von digitalen Filterwerten.
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Bei dem adaptiven Digitalfilter 117 kann
es sich um eines von mehreren Arten von Filtern handeln, unter anderem
Filter mit begrenztem Impulsansprechen (FIR-Filter) und Filter mit
unbegrenztem Impulsansprechen (IIR-Filter), die dein Fachmann für a daptive
Filteranwendungen bekannt sind. Obwohl die verschiedenen Arten von
adaptiven Digitalfiltern sich in ihrer genauen Methode des Multiplizierens und
Kombinierens von Messwerten unterscheiden können, haben sie alle das gemeinsame
Merkmal der Faltung der Messwerte in der Zeitdomäne unter Verwendung bekannter
Filteralgorithmen und preiswerter elektronischer Bauteile.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
des adaptiven Digitalfilters 117 nach der vorliegenden
Erfindung als ein FIR-Filter. Der FIR-Filteraufbau kann entweder
als Software-Algorithmus realisiert werden, der mit an Speicherpositionen
gespeicherten Daten arbeitet, oder als Hardware-Gerät wie z.
B. einer Standardelementanordnung einer programmierbaren digitalen
Logikschaltung, die für
den Betrieb als FIR-Filter angepasst ist.
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Wie in 5 gezeigt,
gelangt die Kette von Messwerten an dem mit MESS-WERTE bezeichneten Knotenpunkt in das
FIR-Filter. Jeder Abschnitt des FIR-Filters, bestehend aus einem
Summierglied 200, einem Multiplizierglied 210 und
einem Laufzeitglied 212, kann an weitere nachgeordnete
Abschnitte angeschlossen werden, um die Kette von normalisierten
Messwerten zu erzeugen. Das Laufzeitglied 212 führt eine
Laufzeitverzögerung
von einer Abtastperiode entsprechend der Abtastrate des Überabtastungs-ADC 116 ein.
Jedes Multiplizierglied 210 empfängt einen entsprechenden digitalen
Filterwert. Auf diese Weise enthält
das adaptive Digitalfilter 117 die aktuellsten Messwerte
in der Kette, um eine entsprechende Kette von normalisierten Messwerten
zu erzeugen.
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Während
der Messphase wird jeder Messwert in den einzelnen Abschnitten mit
einem entsprechenden digitalen Filterwert einer Reihe von digitalen Filterwerten
multipliziert, und das Produkt wird sodann mit den Produkten summiert,
die von allen anderen Abschnitten in einem Faltungsverfahren erzeugt
werden. Unter Faltung versteht man üblicherweise das der Multiplikation
in der Frequenzdomäne entsprechende
Verfahren in der Zeitdomäne.
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Weil das Eingangssignal in Messwerte
in der Zeitdomäne
umgewandelt wird, wäre
eine Umwandlung in die Frequenzdomäne mit einer Fourier-Transformation
zur Multiplikation, gefolgt von einer Rückumwandlung in die Zeitdomäne erforderlich,
was einen enormen Rechenaufwand darstellt. Adaptive Digitalfilter
arbeiten meist mittels Faltung in der Zeitdomäne, weil diese wesentlich einfacher
zu implementieren ist und nur erfordert, dass beim Messen des Kalibrierungssignals
einmal eine optimale Reihe von digitalen Filterwerten berechnet
werden muss, um die Normalisierungsfunktion zu realisieren.
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Während
der Kalibrationsphase wird das Eingangssignal durch ein Kalibrierungssignal
mit bekannten Amplituden- und Frequenzeigenschaften ersetzt. Eine
erwartete Reihe von Werten, die das Kalibrierungssignal repräsentieren,
ist bereits gespeichert. Ein Fehlersignal wird berechnet, das den
Unterschied zwischen dem Schätzsignal,
das beim Messen des Kalibrierungssignals von dem Überabtastungs-ADC 116 erhalten
wird, und der erwarteten Reihe von Werten angibt. Ein interaktives
mathematisches Verfahren, das mit der Reihe von digitalen Filterwerten
arbeitet, wird dann angewandt, um den Gesamtfehler in dem Fehlersignal
zu minimieren. Auf diese Weise entsprechen die in dem Schätzsignal enthaltenen
Werte möglichst
genau den gespeicherten erwarteten Werten, und der Fehlerbeitrag
zu den Messwerten aus der Eingangsschaltung 114 wird dadurch
minimiert.
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Bei dem mathematischen Verfahren
zur Herleitung der Reihe von digitalen Filterwerten kann es sich
um jedes dem Fachmann in Zusammenhang mit adaptiven Digitalfiltern
bekannte Verfahren handeln. Mit dem adaptiven Digitalfilter 117 in
der Form eines FIR-Filters in der bevorzugten Ausführungsform
werden die digitalen Filterwerte in der bevorzugten Ausführungsform
nach dem Verfahren der kleinsten mittleren Quadrate (LMS) berechnet.
Das LMS-Verfahren erfordert mehrere Iterationsschritte, damit sich die
Reihe von digitalen Filterwerten einer optimalen Lösung annähert, bei
der das Fehlersignal minimiert ist. Durch Erhöhen der Anzahl der digitalen
Filterwerte in der Reihe, zusammen mit der Anzahl der entsprechenden
Stufen in dem FIR-Filter, erhöht
sich die Genauigkeit des Normalisierungsverfahrens in dem FIR-Filter.
Die Benutzung immer größerer Reihen von
digitalen Filterwerten erfordert jedoch erheblich längere Rechenzeiten
zur Berechnung der Reihe von digitalen Filterwerten während der
Kalibrationsphase.
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ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Erziehung einer verbesserten
Messgenauigkeit mit dem adaptiven Digitalfilter nach der vorliegenden
Erfindung. In Schritt 600, bezeichnet mit „KALIBRIERUNGSSIGNAL AN EINGANGSSCHALTUNG
ANLEGEN", wird die Kalibrierungssignalquelle 122 (gezeigt
in 3) anstelle des Eingangssignals
an den Eingang der Eingangsschaltung 114 angelegt. Das
Kalibrierungssignal hat bekannte Amplituden- und Freguenzanteile über den
interessierenden Frequenzbereich, die dann gemessen werden können.
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In Schritt 610, bezeichnet mit „KALIBRIERUNGSSIGNAL
MESSEN", wird das Kalibrierungssignal an den Überabtastungs-ADC 116 angelegt und
eine Kette von Kalibrations-Messwerten erzeugt, die ein Schätzsignal
bilden.
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In Schritt 620, bezeichnet mit „ADAPTIVE
DIGITALE FILTERWERTE OPTIMIEREN", werden die adaptiven digitalen
Filterwerte mittels eines Algorithmus optimiert. Aufgrund der zahlreichen
möglichen Ausführungsformen
von Digitalfiltern gibt es eine entsprechende Vielzahl von Algorithmen
zur Berechnung der nötigen
digitalen Filterwerte zur Anpassung des Digitalfilters an die jeweilige
Anwendung. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Algorithmus der
kleinsten mittleren Quadrate (LMS-Algorithmus} benutzt, der normalerweise
mit FIR-Filtern in Verbindung gebracht wird. Der Unterschied zwischen
dem Kalibrierungssignal und dem Schätzsignal ist ein Fehlersignal.
Nach dem LMS-Algorithmus werden Ausgangswerte, die so festgelegt
sind, dass sie der Reihe von optimalen digitalen Filterwerten angemessen
entsprechen, in den LMS-Algorithmus eingeführt, um den Zeitaufwand zu
verringern, bis sich der Algorithmus den gewünschten digitalen Filterwerten nähert. Die
Reihe von digitalen Filterwerten ist optimiert, wenn das Gesamtfehlersignal
minimiert ist.
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Die Schritte 600, 610 und 620 bilden
zusammen die Kalibrationsphase für
den Betrieb des elektronischen Instruments 110. Die Kalibrationsphase kann
so oft wie nötig
durchgeführt
werden, um kurzfristige Schwankungen im Frequenzgang der Eingangsschaltung 114 auszugleichen.
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In Schritt 630, bezeichnet mit „EINGANGSSIGNAL
MESSEN", wird die Kalibrierungssignalquelle 122 von dem
Eingang der Eingangsschaltung 114 abgetrennt, und das Eingangssignal
wird wieder bei normalen Messbedingungen angelegt. Danach wird eine
Kette von Messwerten mit der Abtastrate des Überabtastungs-ADC 116 erzeugt.
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In Schritt 640, bezeichnet mit „MESSWERTE DIGITAL
FILTERN", wird die Reihe von optimalen digitalen Filterwerten an
das adaptive Digitalfilter 117 angelegt. Das adaptive Digitalfilter 117 verarbeitet sodann
die Kette von Messwerten mittels Faltung, um die Kette von normalisierten
Messwerten entsprechend den optimalen digitalen Filterwerten zu liefern,
die die Frequenzverzerrungseffekte der Eingangsschaltung 114 beseitigen,
um ein gewünschtes Maß an Messgenauigkeit über den
interessierenden Frequenzbereich zu erzielen.
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Die Schritte 630 und 640 bilden zusammen die
Messphase für
den Betrieb des elektronischen Instruments 110. Die Messphase
entspricht dein normalen Betriebszu stand des elektronischen Instruments 110,
in dem das Eingangssignal mit einer bestimmten Genauigkeit gemessen
und angezeigt werden muss.
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Für
den Fachmann ist ersichtlich, dass an den Einzelheiten der vorstehend
beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung viele Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung in ihren weiteren Aspekten gemäß der Definition
in den zugehörigen
Ansprüchen
abzuweichen. Verschiedene Arten von Digitalfiltern können benutzt
werden, deren gemeinsames Merkmal darin besteht, dass die digitale
Filterung mittels Faltung in der Zeitdomäne anstatt durch Multiplikation
in der Frequenzdomäne
erfolgt, um den Frequenzgang der Eingangsschaltung zu normalisieren. Unterschiedliche
Arten von Kalibrierungssignalen können benutzt werden, um bei
den interessierenden Frequenzen im Messfrequenzbereich eine bekannte Signalspannung
zu liefern. Daher müssen
Umfang und Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung anhand der
nachstehenden Ansprüche
festgelegt werden.