EP1997089A1 - Verfahren und anordnung zum digitalen übermitteln eines analogen messsignals - Google Patents

Verfahren und anordnung zum digitalen übermitteln eines analogen messsignals

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Publication number
EP1997089A1
EP1997089A1 EP07721944A EP07721944A EP1997089A1 EP 1997089 A1 EP1997089 A1 EP 1997089A1 EP 07721944 A EP07721944 A EP 07721944A EP 07721944 A EP07721944 A EP 07721944A EP 1997089 A1 EP1997089 A1 EP 1997089A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pulse
measuring
signal
value
reference pulse
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07721944A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jasmin Simon
Andreas Greif
Karl-Heinz Winkler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Conti Temic Microelectronic GmbH filed Critical Conti Temic Microelectronic GmbH
Publication of EP1997089A1 publication Critical patent/EP1997089A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/06—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
    • H03M1/08—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters of noise
    • H03M1/0827—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters of noise of electromagnetic or electrostatic field noise, e.g. preventing crosstalk by shielding or optical isolation
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/50—Analogue/digital converters with intermediate conversion to time interval
    • H03M1/504—Analogue/digital converters with intermediate conversion to time interval using pulse width modulation

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for the digital transmission of an analog measurement signal.
  • analog measurement signals for example logic modules or microcontrollers.
  • digital variables for example logic modules or microcontrollers.
  • the digital variable is usually transmitted across a galvanic isolation, for example by means of an optocoupler.
  • Transmission is to be output in certain cases, the digital size in analog form, for example by means of a digital / analog converter.
  • the accuracy of the transmission is subject to various influences, caused for example by manufacturing tolerances of resistors, capacitors or integrated circuits or by temperature and / or pressure fluctuations.
  • a subsequent digital / analog conversion therefore generates an analog signal which has a loss of accuracy or information.
  • Conventional analog / digital converters are also complex.
  • the invention has for its object to provide a method and an arrangement for the digital transmission of an analog measurement signal, which allow a transfer with little effort and little loss of information through component tolerances, frequency changes, etc.
  • the object is achieved by a method which has the features specified in claim 1, and by an arrangement having the features specified in claim 12.
  • a triangular signal is considered to be any periodic signal which has a strictly monotonously rising section (referred to below as a positive edge) and an immediately adjacent, strictly monotonically falling section (referred to below as a negative edge). These include, for example, sawtooth signals.
  • a method is proposed in which instantaneous values of a triangular signal are compared with a value of the measured signal for generating a binary measuring pulse, and instantaneous values of the triangular signal are compared with a predefinable first reference variable for generating a binary reference pulse corresponding to the measuring pulse.
  • the value of the measurement signal and the reference value are monitored as threshold values for triggering positive and negative edges of rectangular pulses.
  • the widths of the pulses generated thereby correlate with the value of the measurement signal or the reference variable.
  • the measuring pulse and the reference pulse are then transmitted with a constant phase. After the transmission, the value of the analog measurement signal can be reconstructed either analog or digital from the pulse widths.
  • the inventive method allows a transformation of the analog measurement signal into two pulse width modulated digital signals, which are referred to in the sense of the invention as a measuring pulse or as a reference pulse.
  • the value of the measurement signal is first transformed with little effort and little loss of information in a frequency space.
  • a complex analog / digital converter is not needed.
  • the first reference variable can be generated exactly with a reference voltage source, for example. From the pulse widths, the value of the analog measurement signal can be reconstructed after transmission with little effort and little loss of information.
  • the measurement signal should have only a negligible change during one period of the triangular signal. Otherwise, the measurement and reference pulses determined are expediently rejected and the procedure repeated.
  • measuring pulse and reference pulse are generated such that a ratio of a width of the measuring pulse to a width of the reference pulse corresponds to a ratio of the value of the measuring signal minus the first reference value to a maximum value of the triangular signal minus the first reference variable:
  • instantaneous values of the triangular signal are compared with a ' specifiable, constant second reference variable in order to generate the measuring pulse and to generate the reference pulse.
  • a second reference size With a second reference size, the accuracy of the process can be significantly improved.
  • the second reference variable can be generated exactly with a reference voltage source, for example.
  • the measuring pulse and the reference pulse are advantageously generated in such a way that a ratio of a width of the measuring pulse to a width of the reference pulse corresponds to a ratio of the value of the measuring signal less the second reference variable to the first reference variable minus the second reference variable:
  • the reconstruction is more accurate than with only one reference variable, since the second reference variable can be predetermined with a higher accuracy than the maximum value of the triangular signal.
  • a preferred embodiment provides that when comparing the instantaneous values of the triangular signal with the first reference variable, a first binary intermediate reference pulse is generated. With the help of this intermediate reference pulse can be generated with little effort, a plus-width ratio according to equation [3].
  • a second binary intermediate reference pulse is advantageously generated when comparing the instantaneous values of the triangular signal with the second reference variable.
  • this intermediate reference pulse can be generated with little effort, a plus-width ratio according to equation [3].
  • the first intermediate reference pulse is exclusively-or-linked with the second intermediate-interest pulse. This generates the reference pulse immediately with little effort and high processing speed.
  • a binary intermediate measuring pulse is generated.
  • a plus-width ratio according to equation [3] can be generated with little effort.
  • a second intermediate reference pulse is exclusively-or-linked with the intermediate-heart rate pulse. This generates the measuring pulse directly with little effort and high processing speed.
  • the measuring pulse and the reference pulse are transmitted across a galvanic isolation. This allows a transition to another potential can be achieved.
  • a sequence of measurement pulses and a sequence of reference pulses are generated and transmitted by repeated comparisons.
  • time-varying measuring signals can also be transmitted.
  • the sequences have the same frequency as the triangular signal.
  • the arrangement according to the invention for the digital transmission of an analog measuring signal has first means for comparing instantaneous values of a triangular signal with a value of the measuring signal for generating a binary measuring pulse, second
  • the first means comprise a first comparator, which compares the instantaneous values of the triangular signal and the value of the measuring signal and outputs a binary intermediate measuring pulse.
  • a comparator generates the intermediate measuring pulse with little effort.
  • the second means have a second comparator which compares the instantaneous values of the triangular signal and the first reference variable and a first binary one Intermediate reference pulse outputs.
  • a comparator generates the first intermediate reference pulse with little effort.
  • a third comparator which compares the instantaneous values of the triangular signal and a second reference value and outputting a second binary compares intermediate reference pulse.
  • a comparator generates the second intermediate reference pulse with little effort.
  • a preferred embodiment is characterized by means for exclusive-OR combination of an intermediate measuring pulse with the second intermediate reference pulse for generating the measuring pulse. This allows the immediate generation of the measuring pulse with little effort and high processing speed.
  • a further preferred embodiment is characterized by means for exclusive-ORing a first intermediate reference pulse with the second intermediate reference pulse for generating the reference pulse. This allows the immediate, with the measuring pulse in phase generation of the reference pulse with little effort and high processing speed.
  • 1 is a block diagram of a transmission arrangement
  • 2 shows schematic signal curves in the arrangement with an ideal sawtooth signal and two reference voltages
  • FIG. 3 shows schematic signal curves in the arrangement with a real triangular signal and two reference voltages
  • Fig. 4 is a block diagram of another transmission arrangement
  • Fig. 5 shows schematic signal waveforms in this arrangement with an ideal sawtooth signal and a reference voltage.
  • the arrangement 1 depicted as a block diagram in FIG. 1 has three comparators 2, 3, 4 whose outputs are connected in pairs to the inputs of two XOR gates 5, 6.
  • the outputs of the XOR gates 5 and 6 are transmitted by means of a digital data coupler 7 galvanically isolated to a microcontroller, not shown.
  • the data coupler 7 is designed for this purpose, for example, as an optocoupler.
  • a generator for a triangular signal D whose output is connected to the first input of each comparator 2, 3, 4.
  • the generator generates a triangular signal D, for example. Ideal sawtooth signal with a frequency of 10 KHz and a value range of -5 V to +12 V.
  • the triangular signal D for example, during operation depending on environmental parameters such as temperature and pressure and in dependence Component tolerances low frequency fluctuations.
  • the arrangement 1 shown is used, for example, in a hybrid vehicle for a DC link voltage measurement in a high voltage range and for the transmission of the analog voltage measured values to the microcontroller arranged in a low voltage range.
  • An analog measurement signal M to be transmitted which represents the voltage measurement values, is applied to the second input of the first combiner 2.
  • the measuring signal M is constant in the given case, at least for the duration of a period of the triangular signal D, for example, it has a permanently constant value of 8 V, for example.
  • a first reference variable Ri is applied in the form of a voltage of 5 V, for example, which is exactly predetermined, for example by means of a reference voltage source, not shown.
  • a reference voltage source not shown.
  • Reference variable R 2 is applied in the form of a voltage of 2 V, for example, which is exactly specified, for example by means of another reference voltage source, not shown.
  • the first comparator 2 compares the instantaneous values of the
  • Triangular signal D with the value of the measurement signal M and generates at its output corresponding to a binary intermediate measurement pulse Z M.
  • the intermediate measuring pulse Z M is set to the state "1" as soon as the triangular signal D exceeds the value of the measuring signal M, and is set to the "0" state as soon as the triangular signal D falls below the value of the measuring signal M.
  • the second comparator 3 compares the instantaneous values of the triangular signal D with the first one
  • Reference variable Ri and generates at its output a first binary intermediate reference pulse Z R1 as a function of respective comparison.
  • the third comparator 4 compares the instantaneous values of the triangular signal D with the second reference variable R 2 and, at its output, correspondingly generates a second binary intermediate reference pulse Z R2 as a function of the respective comparison.
  • the intermediate measuring pulse Z M and the second intermediate reference pulse Z R2 are supplied to the first XOR gate 5.
  • the two intermediate reference pulses Z RI , Z R2 are supplied to the second XOR gate 6.
  • Both XOR gates 5, 6 act within the pulse width of the second intermediate reference pulse Z R2 as an inverter.
  • the first XOR gate 5 inverts the intermediate measuring pulse Z M within this pulse width and, as a result, emits the measuring pulse P M.
  • the second XOR gate 6 inverts within, this
  • Pulse width the first intermediate reference pulse Z R2 and outputs the reference pulse P R. Both pulses P M , P R are finally transmitted by means of the data coupler 7 galvanically isolated.
  • the measurement signal M in the arrangement 1 is scanned in a continuous-value, but time-discrete manner.
  • all restrictions apply for discrete-time sampling, in particular for cases of high-frequency changes of the measurement signal M, for example the Shannon-Nyquist theorem. Due to the continuous and in principle unlimited range of values, however, a higher accuracy and thus a lower information loss can be achieved during the transmission than when using a conventional, also time-discrete analog / digital converter in conjunction with a bitwise, ie also discrete-value transmission with conventional, constant pulse widths.
  • an exact analog reconstruction can be carried out from the pulse widths of the measuring pulse P M and the reference pulse P R with the aid of analog circuits.
  • the pulse widths of measuring pulse P M and reference pulse P R must first be determined in a discrete time measurement, for example by means of a microcontroller using
  • FIG. 3 shows signals and waveforms of the arrangement I 7 when it is fed with a real triangle signal D.
  • the negative edge of the triangular signal D has a finite slope.
  • Intermediate pulse Z M or Z R ⁇ in each case an additional state "1" at the end of the predetermined by the pulse width of the second intermediate reference pulse Z R2 interval.
  • These additional states “1” can distort the reconstruction. They are therefore expediently filtered out before the transmission from the measuring pulse P M or the reference pulse P R or ignored during a digital reconstruction.
  • the additional states "1 ⁇ " can for this purpose be identified by a receiving microcontroller, for example using a sequential logic, and ignored, since their sequence is identical in all periods.
  • FIG. 4 shows a simplified arrangement 1 which, in addition to a digital data coupler 7, has only two comparators 2, 3. XOR gates are not required.
  • the second input of the first comparator 2 is connected to the analog measurement signal M to be transmitted.
  • the second input of the first comparator 2 is connected to a constant predetermined reference value Ri in the form of a voltage of 5 V.
  • a second reference size is not required. Intermediate pulses are not generated.
  • the first comparator 2 directly generates the measuring pulse P M.
  • the second comparator 3 directly generates the reference pulse P R.
  • Figure 5 shows the signals and waveforms of the arrangement 1 of Figure 4.
  • the pulse widths are according to the geometric
  • the measurement signal M can be reconstructed according to the above equation [2]:

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum digitalen Übermitteln eines analogen Messsignals (M), aufweisend die Schritte: Vergleichen von Momentanwerten eines Dreieckssignals (D) mit einem Wert des Messsignals (M) zum Erzeugen eines binären Messpulses (PM); Vergleichen von Momentanwerten des Dreieckssignals (D) mit einer vorgebbaren ersten Referenzgröße (R1) zum Erzeugen eines binären, mit dem Messpuls (PM) korrespondierenden Referenzpulses (PR); und Übermitteln von Messpuls (PM) und Referenzpuls (PR) mit konstanter Phase.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zum digitalen Übermitteln eines analogen Messsignals
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum digitalen Übermitteln eines analogen Messsignals.
In vielen elektronischen Anwendungen ist es notwendig, analoge Messsignale zur weiteren Verarbeitung in Form von digitalen Größen zu übermitteln, beispielsweise an Logikbausteine oder MikroController. Zum Übertragen auf ein anderes Potential wird die digitale Größe dabei üblicherweise über eine galvanische Trennung hinweg übermittelt, beispielsweise mittels eines Optokopplers. Nach der
Übermittlung soll in bestimmten Fällen die digitale Größe in analoger Form ausgegeben werden, beispielsweise mittels eines Digital/Analog-Wandlers .
Beim Übermitteln einer digitalen oder analogen Größe unterliegt die Genauigkeit der Übermittlung verschiedenen Einflüssen, verursacht beispielsweise durch Fertigungstoleranzen von Widerständen, Kondensatoren oder integrierten Schaltkreisen oder durch Temperatur- und/oder Druckschwankungen .
Außerdem wird bei einer Digitalisierung wegen des diskreten Wertebereichs grundsätzlich ein Quantisierungsfehler erzeugt, so dass die digitale Größe mit einem Quantisierungsrauschen beaufschlagt wird. Die digitale Größe ist somit in mehrfacher
Hinsicht fehlerbehaftet. Eine anschließende Digital/Analog- Wandlung erzeugt daher ein Analogsignal, das einen Genauigkeits- beziehungsweise Informationsverlust aufweist. Herkömmliche Analog/Digital-Wandler sind zudem komplex aufgebaut. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum digitalen Übermitteln eines analogen Messsignals anzugeben, welche eine Übertragung mit geringem Aufwand und geringem Informationsverlust durch Bauteiltoleranzen, Frequenzänderungen etc. ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, sowie durch eine Anordnung, welche die in Anspruch 12 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Als Dreieckssignal wird im Sinne der Erfindung jedes periodische Signal angesehen, das einen streng monoton steigenden Abschnitt (im Folgenden als positive Flanke bezeichnet) und einen sich unmittelbar anschließenden, streng monoton fallenden Abschnitt (im Folgenden als negative Flanke bezeichnet) aufweist. Dazu gehören beispielsweise Sägezahnsignale .
Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem Momentanwerte eines Dreieckssignals mit einem Wert des Messsignals zum Erzeugen eines binären Messpulses verglichen werden und Momentanwerte des Dreieckssignals mit einer vorgebbaren ersten Referenzgröße zum Erzeugen eines binären, mit dem Messpuls korrespondierenden Referenzpulses verglichen werden. Beispielsweise werden der Wert des Messsignals und die Referenzgröße als Schwellwerte für ein Triggern von positiven und negativen Flanken von Rechteckpulsen überwacht. Die Breiten der erzeugten Pulse korrelieren dadurch mit dem Wert des Messsignals beziehungsweise der Referenzgröße. Der Messpuls und der Referenzpuls werden anschließend mit konstanter Phase übermittelt. Nach der Übermittlung kann aus den Pulsbreiten der Wert des analogen Messsignals entweder analog oder digital rekonstruiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Transformation des analogen Messsignals in zwei pulsbreitenmodulierte Digitalsignale, die im Sinne der Erfindung als Messpuls beziehungsweise als Referenzpuls bezeichnet werden. Durch das Verfahren wird der Wert des Messsignals zunächst mit geringem Aufwand und geringem Informationsverlust in einen Frequenzraum transformiert. Ein aufwendiger Analog/Digital- Wandler wird dazu nicht benötigt. Die erste Referenzgröße kann beispielsweise mit einer Referenz-Spannungsquelle exakt erzeugt werden. Aus den Pulsbreiten kann der Wert des analogen Messsignals nach der Übermittlung mit geringem Aufwand und geringem Informationsverlust rekonstruiert werden.
Das Messsignal sollte während einer Periode des Dreieckssignals nur eine vernachlässigbare Änderung aufweisen. Anderenfalls sind zweckmäßigerweise die ermittelten Mess- und Referenzpulse zu verwerfen und das Verfahren zu wiederholen.
Vorzugsweise werden Messpuls und Referenzpuls so erzeugt, dass ein Verhältnis einer Breite des Messpulses zu einer Breite des Referenzpulses einem Verhältnis des Werts des Messsignals abzüglich der ersten Referenzgröße zu einem Maximalwert des Dreieckssignals abzüglich der ersten Referenzgröße entspricht:
mit M = Messsignal , Ri = erste Referenzgröße , UMax = vorgegebener Maximalwert für Dreieckssignal D , PM = Messpulsbreite , PR = Referenzpulsbreite . Aus diesen identischen Verhältnissen kann der Wert des Messsignals auch bei nicht konstanter Frequenz des Dreieckssignals mit geringem Fehler bestimmt werden:
M= (DMax -R1)X-IL+R1 [2]
Da beide Pulse in gleichem Maße von der Frequenz des Dreieckssignals abhängen, heben sich die Frequenzterme bei der Division auf. Eine beliebige Frequenzveränderung wird so kompensiert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden zum Erzeugen des Messpulses und zum Erzeugen des Referenzpulses Momentanwerte des Dreieckssignals mit einer' vorgebbaren, konstanten zweiten Referenzgröße verglichen. Mit einer zweiten Referenzgröße kann die Genauigkeit des Verfahrens deutlich verbessert werden. Die zweite Referenzgröße kann beispielsweise mit einer Referenz-Spannungsquelle exakt erzeugt werden.
Dabei werden vorteilhafterweise der Messpuls und der Referenzpuls so erzeugt, ein Verhältnis einer Breite des Messpulses zu einer Breite des Referenzpulses einem Verhältnis des Werts des Messsignals abzüglich der zweiten Referenzgröße zu der ersten Referenzgröße abzüglich der zweiten Referenzgröße entspricht :
M-R2 _PM [3]
R1-R2
mit M = Messsignal, Ri, R2 = erste, zweite Referenzgröße, PM Messpulsbreite, PR = Referenzpulsbreite.
Daraus kann die Messgröße rekonstruiert werden gemäß:
M =(R1 -R2)x^+R2 [4] Da beide Pulse - Referenzpuls und Messpuls - in gleichem Maße von der Frequenz des Dreieckssignals abhängen, heben sich die Frequenzterme bei der Division auf. Eine beliebige Frequenzveränderung wird so kompensiert. In dieser
Ausgestaltung ist die Rekonstruktion jedoch genauer als mit nur einer Referenzgröße, da die zweite Referenzgröße mit höherer Genauigkeit vorgebbar ist als der Maximalwert des Dreieckssignals .
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass beim Vergleichen der Momentanwerte des Dreieckssignals mit der ersten Referenzgröße ein erster binärer Zwischenreferenzpuls erzeugt wird. Mit Hilfe dieses Zwischenreferenzpulses kann mit geringem Aufwand ein Plusbreitenverhältnis gemäß Gleichung [3] erzeugt werden.
Außerdem wird zweckmäßigerweise beim Vergleichen der Momentanwerte des Dreieckssignals mit der zweiten Referenzgröße ein zweiter binärer Zwischenreferenzpuls erzeugt. Mit Hilfe dieses Zwischenreferenzpulses kann mit geringem Aufwand ein Plusbreitenverhältnis gemäß Gleichung [3] erzeugt werden.
Vorzugsweise wird zum Erzeugen des Referenzpulses der erste Zwischenreferenzpuls mit dem zweiten Zwischeninesspuls exklusiv-oder-verknüpft . Dies erzeugt den Referenzpuls unmittelbar mit geringem Aufwand und hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit .
Zweckmäßigerweise wird beim Vergleichen der Momentanwerte des Dreieckssignals mit dem Wert des Messsignals ein binärer Zwischenmesspuls erzeugt. Mit Hilfe dieses Zwischenmesspulses kann mit geringem Aufwand ein Plusbreitenverhältnis gemäß Gleichung [3] erzeugt werden. Vorzugsweise wird zum Erzeugen des Messpulses ein zweiter Zwischenreferenzpuls mit dem Zwischeninesspuls exklusiv-oder- verknüpft. Dies erzeugt den Messpuls unmittelbar mit geringem Aufwand und hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit .
Vorteilhafterweise werden der Messpuls und der Referenzpuls über eine galvanische Trennung hinweg übermittelt. Dadurch kann ein Übergang auf ein anderes Potential erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden durch wiederholte Vergleiche eine Sequenz von Messpulsen und eine Sequenz von Referenzpulsen erzeugt und übermittelt. Dadurch können auch zeitlich veränderliche Messsignale übermittelt werden. Die Sequenzen weisen dabei dieselbe Frequenz auf wie das Dreieckssignal .
Die erfindungsgemäße Anordnung zum digitalen Übermitteln eines analogen Messsignals weist erste Mittel zum Vergleichen von Momentanwerten eines Dreieckssignals mit einem Wert des Messsignals zum Erzeugen eines binären Messpulses, zweite
Mittel zum Vergleichen von Momentanwerten des Dreieckssignals mit mindestens einer vorgebbaren Referenzgröße zum Erzeugen eines binären Referenzpulses und dritte Mittel zum Übermitteln des Messpulses und des Referenzpulses mit konstanter Phase auf. Diese Anordnung realisiert das erfindungsgemäße Verfahren.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten Mittel einen ersten Komparator auf, welcher die Momentanwerte des Dreieckssignals und den Wert des Messsignals vergleicht und einen binären Zwischenmesspuls abgibt. Ein Komparator erzeugt den Zwischenmesspuls mit geringem Aufwand.
Bevorzugt wird außerdem eine Ausführungsform, bei welcher die zweiten Mittel einen zweiten Komparator aufweisen, welcher die Moπientanwerte des Dreieckssignals und die erste Referenzgröße vergleicht und einen ersten binären Zwischenreferenzpuls abgibt. Ein Komparator erzeugt den ersten Zwischenreferenzpuls mit geringem Aufwand.
"Vorteilhaft ist ein dritter Komparator, welcher Momentanwerte des Dreieckssignals und eine zweite Referenzgröße vergleicht und einen zweiten binären Zwischenreferenzpuls abgibt. Ein Komparator erzeugt den zweiten Zwischenreferenzpuls mit geringem Aufwand.
Eine bevorzugte Ausgestaltung ist gekennzeichnet durch Mittel zur Exklusiv-Oder-Verknüpfung eines Zwischenmesspulses mit dem zweiten Zwischenreferenzpuls zur Erzeugung des Messpulses. Dies erlaubt die unmittelbare Erzeugung des Messpulses mit geringem Aufwand und hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung ist gekennzeichnet durch Mittel zur Exklusiv-Oder-Verknüpfung eines ersten Zwischenreferenzpulses mit dem zweiten Zwischenreferenzpuls zur Erzeugung des Referenzpulses. Dies erlaubt die unmittelbare, mit dem Messpuls phasengleiche Erzeugung des Referenzpulses mit geringem Aufwand und hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit .
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher die dritten Mittel eine galvanische Trennung aufweisen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein Momentanwert eines Messsignals mit geringem Aufwand und verlustarm übermittelt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Übermittlungsanordnung, Fig. 2 schematische Signalverläufe in der Anordnung bei einem idealen Sägezahnsignal und zwei Referenzspannungen,
Pig. 3 schematische Signalverläufe in der Anordnung bei einem realen Dreieckssignal und zwei ReferenzSpannungen,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer weiteren Übermittlungsanordnung und
Fig. 5 schematische Signalverläufe in dieser Anordnung bei einem idealen Sägezahnsignal und einer Referenzspannung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Figur 1 als Blockschaltbild abgebildete Anordnung 1 weist drei Komparatoren 2, 3, 4 auf, deren Ausgänge paarweise mit den Eingängen zweier XOR-Gattern 5, 6 verbunden sind. Die Ausgänge der XOR-Gatter 5 und 6 werden mittels eines digitalen Datenkopplers 7 galvanisch getrennt an einen nicht dargestellten MikroController übermittelt. Der Datenkoppler 7 ist hierzu beispielsweise als Optokoppler ausgebildet.
Nicht abgebildet ist zudem ein Generator für ein Dreieckssignal D, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang jedes Komparators 2, 3, 4 verbunden ist. Der Generator erzeugt ein Dreieckssignal D, beispielsweise .ein ideales Sägezahnsignal mit einer Frequenz von 10 KHz und einem Wertebereich von -5 V bis +12 V. Das Dreieckssignal D weist beispielsweise während des Betriebs in Abhängigkeit von Umgebungsparametern wie Temperatur und Druck sowie in Abhängigkeit von Bauteiltoleranzen geringe FrequenzSchwankungen auf. Die gezeigte Anordnung 1 wird beispielsweise in einem Hybridfahrzeug für eine Zwischenkreis-Spannungsmessung in einem Hochspannungsbereich und für die Übermittlung der analogen Spannungsmesswerte an den in einem Niederspannungsbereich angeordneten Mikrocontroller eingesetzt.
Ein zu übermittelndes analoges Messsignal M, das die Spannungsmesswerte repräsentiert, liegt an dem zweiten Eingang des ersten Kömparators 2 an. Das Messsignal M ist im gegebenen Fall zumindest für die Dauer einer Periode des Dreieckssignals D konstant, es weise beispielhaft einen dauerhaft konstanten Wert von 8 V auf.
An den zweiten Eingang des zweiten Komparators 3 wird eine erste Referenzgröße Ri in Form einer Spannung von beispielhaft 5 V angelegt, die beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Referenz-Spannungsquelle exakt vorgegeben wird. In derselben Weise wird an den zweiten Eingang des dritten Komparators 4 eine niedrigere, zweite
Referenzgröße R2 in Form einer Spannung von beispielhaft 2 V angelegt, die beispielsweise mittels einer weiteren nicht dargestellten Referenz-Spannungsquelle exakt vorgegeben wird.
Der erste Komparator 2 vergleicht die Momentanwerte des
Dreiecksignals D mit dem Wert des Messsignals M und generiert an seinem Ausgang entsprechend einen binären Zwischenmesspuls ZM. Der Zwischenmesspuls ZM wird auf den Zustand „1" gesetzt, sobald das Dreieckssignal D den Wert des Messsignals M übersteigt, und wird auf Zustand „0" gesetzt, sobald das Dreieckssignal D den Wert des Messsignals M unterschreitet .
In entsprechender Weise vergleicht der zweite Komparator 3 die Momentanwerte des Dreiecksignals D mit der ersten
Referenzgröße Ri und generiert an seinem Ausgang einen ersten binären Zwischenreferenzpuls ZR1 in Abhängigkeit vom jeweiligen Vergleich. Der dritte Komparator 4 vergleicht die Momentanwerte des Dreiecksignals D mit der zweiten Referenzgröße R2 und generiert an seinem Ausgang entsprechend einen zweiten binären Zwischenreferenzpuls ZR2 in Abhängigkeit vom jeweiligen Vergleich.
Der Zwischenmesspuls ZM und der zweite Zwischenreferenzpuls ZR2 werden dem ersten XOR-Gatter 5 zugeführt. In entsprechender Weise werden die beiden Zwischenreferenz- pulse ZRI, ZR2 dem zweiten XOR-Gatter 6 zugeführt. Beide XOR- Gatter 5, 6 wirken innerhalb der Pulsbreite des zweiten Zwischenreferenzpulses ZR2 als Inverter. Das erste XOR- Gatter 5 invertiert innerhalb dieser Pulsbreite den Zwischenmesspuls ZM und gibt als Ergebnis den Messpuls PM ab. Das zweite XOR-Gatter 6 invertiert innerhalb, dieser
Pulsbreite den ersten Zwischenreferenzpuls ZR2 und gibt den Referenzpuls PR ab. Beide Pulse PM, PR werden schließlich mittels des Datenkopplers 7 galvanisch getrennt übermittelt.
In Figur 2 sind die in der Anordnung 1 auftretenden Signale und Signalverläufe dargestellt. Es ist erkennbar, wie die ansteigende Flanke des Sägezahnsignals über die Komparatoren 2, 3, 4 die Zwischenpulse ZM, ZRi und ZR2 triggert . Sodann ist erkennbar, wie die XOR-Gatter 5, 6 den Zwischenmesspuls ZM und den ersten Zwischenreferenzpuls ZRi innerhalb der Pulsbreite des zweiten Zwischenreferenzpulses ZR2 invertieren. Durch die Invertierung treten die positiven Flanken von Messpuls PM und Referenzpuls PR simultan auf. Für das Verhältnis der Pulsbreiten, der Einfachheit halber hier ebenfalls mit PM beziehungsweise PR bezeichnet, ergibt sich aus einfachen geometrischen Betrachtungen („Strahlensatz") die oben genannte Gleichung [1] wie folgt:
iLÜLjk [5] Anhand dieser Beziehung kann aus den Pulsbreiten PM, PR mit den exakt bekannten Referenzgrößen Ri, R2 der Wert des Messsignals M mit hoher Genauigkeit rekonstruiert werden gemäß der oben genannten Gleichung [4] :
M = (R1-R2)X^H-R2 ,. [6]
Wegen der endlichen Periodendauer des Dreieckssignals D wird das Messsignal M in der Anordnung 1 wertkontinuierlich, aber zeitdiskret abgetastet. Es gelten damit alle Einschränkungen für zeitdiskretes Abtasten, insbesondere für Fälle von hochfrequenten Änderungen des Messsignals M, beispielsweise das Shannon-Nyquist-Theorem. Durch den kontinuierlichen und im Prinzip unbegrenzten Wertebereich kann jedoch während der Übermittlung eine höhere Genauigkeit und damit ein niedrigerer Informationsverlust erreicht werden als bei Verwendung eines herkömmlichen, ebenfalls zeitdiskreten Analog/Digital-Wandlers in Verbindung mit einer bitweisen, also außerdem wertdiskreten Übermittlung mit herkömmlichen, konstanten Pulsbreiten.
Bei konstantem Messsignal M beziehungsweise niedriger Änderungsrate kann eine exakte analoge Rekonstruktion aus den Pulsbreiten von Messpuls PM und Referenzpuls PR mit Hilfe von analogen Schaltungen erfolgen.
Soll die Rekonstruktion digital erfolgen, so müssen zunächst in einer diskreten Zeitmessung die Pulsbreiten von Messpuls PM und Referenzpuls PR ermittelt werden, beispielsweise mittels eines Mikrocontrollers mit Hilfe von
Interrupts. Zwar weist auch eine solche Zeitmessung Quantisierungsfehler in Form eines Rauschens auf . Eine solche digitale Zeitmessung kann jedoch bei gleicher Auflösung mit geringerem Aufwand durchgeführt werden als eine herkömmliche Analog/Digital-Wandlung. Figur 3 zeigt Signale und Signalverläufe der Anordnung I7 wenn diese mit einem realen Dreieckssignal D gespeist wird. Die negative Flanke des Dreieckssignals D hat dabei eine endliche Steigung. Als Konsequenz entsteht durch die Invertierung in den XOR-Gattern 5 und 6 aus einem
Zwischenpuls ZM beziehungsweise ZRχ jeweils ein zusätzlicher Zustand „1" am Ende des durch die Pulsbreite des zweiten Zwischenreferenzpulses ZR2 vorgegebenen Intervalls. Diese zusätzlichen Zustände „1" können die Rekonstruktion verfälschen. Sie werden daher zweckmäßigerweise vor der Übermittlung aus dem Messpuls PM beziehungsweise dem Referenzpuls PR herausgefiltert oder bei einer digitalen Rekonstruktion übergangen. Die zusätzlichen Zustände „lλΛ können dazu von einem empfangenden Mikrocontroller beispielsweise unter Verwendung einer sequentiellen Logik identifiziert und ignoriert werden, da ihre Abfolge in allen Perioden identisch ist.
In Figur 4 ist eine vereinfachte Anordnung 1 gezeigt, die neben einem digitalen Datenkoppler 7 lediglich zwei Komparatoren 2, 3 aufweist. XOR-Gatter sind nicht erforderlich. An den ersten Eingängen beider Komparatoren 2 und 3 liegt ein ideales Sägezahnsignal als Dreieckssignal D mit einem Wertebereich von 0 V bis zu einem Maximalwert DMax von 10 V an. Der zweite Eingang des ersten Komparators 2 ist mit dem zu übermittelnden analogen Messsignal M verbunden. Der zweite Eingang des ersten Komparators 2 ist mit einer konstanten vorgegebenen Referenzgröße Ri in Form einer Spannung von 5 V verbunden. Eine zweite Referenzgröße ist nicht erforderlich. Zwischenpulse werden nicht erzeugt. Der erste Komparator 2 erzeugt unmittelbar den Messpuls PM. Der zweite Komparator 3 erzeugt unmittelbar den Referenzpuls PR.
Figur 5 zeigt die Signale und Signalverläufe der Anordnung 1 aus Figur 4. Die Pulsbreiten stehen gemäß der geometrischen
Beziehungen („Strahlensatz") im Verhältnis der oben genannten Gleichung [1] : M-R1 ^PM [7;
Nach der Übermittlung über den Datenkoppler 7 kann das Messsignal M rekonstruiert werden gemäß der oben genannten Gleichung [2] :
M = (DMax -R1)X^+R1 [8]
"R
Allgemein kann in nicht abgebildeten Anordnungen die
Übermittlung und galvanische Trennung beispielsweise mittels Funkübertragung erfolgen.
Bezugszeichenliste
1 . Anordnung
2 Erster Komparator
3 Zweiter Komparator
4 Dritter Komparator
5 Erstes XOR-Gatter
6 Zweites XOR-Gatter
7 Datenkoppler
D Dreieckssignal
E>Max Maximalwert
M Messsignal
Ri Erste Referenzgröße
R2 Zweite Referenzgröße
ZJJ Zwischenmesspu1s
ZRI Erster Zwischenreferenzpuls
ZR2 Erster Zwischenreferenzpuls
PM Messpuls
PR Referenzpuls

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum digitalen Übermitteln eines analogen Messsignals (M), aufweisend die Schritte: - Vergleichen von Momentanwerten eines Dreieckssignals (D) mit einem Wert des Messsignals (M) zum Erzeugen eines binären Messpulses (PM) ',
- Vergleichen von Momentanwerten des DreiecksSignals (D) mit einer vorgebbaren ersten Referenzgröße (Ri) zum Erzeugen eines binären, mit dem Messpuls (PM) korrespondierenden Referenzpulses (PR) und
- Übermitteln von Messpuls (PM) und Referenzpuls (PR) mit konstanter Phase.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpuls (PM) und der Referenzpuls (PR) so erzeugt werden, dass ein Verhältnis einer Breite des Messpulses (PM) zu einer Breite des Referenzpulses (PR) einem Verhältnis des Werts des Messsignals (M) abzüglich der ersten Referenzgröße (R1) zu einem Maximalwert (DMaχ) des
Dreieckssignals (D) abzüglich der ersten Referenzgröße (Ri) entspricht .
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ZUiIi Erzeugen des Messpulses (PM) und zum Erzeugen des
Referenzpulses (PR) Momentanwerte des Dreieckssignals (D) mit einer vorgebbaren, konstanten zweiten Referenzgröße (R2) verglichen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpuls (PM) und der Referenzpuls (PR) so erzeugt werden, dass ein Verhältnis einer Breite des Messpulses (PM) zu einer Breite des Referenzpulses (PR) einem Verhältnis des Werts des Messsignals (M) abzüglich der zweiten Referenzgröße (R2) zu der ersten Referenzgröße (Ri) abzüglich der zweiten Referenzgröße (R2) entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen der Momentanwerte des Dreieckssignals - (D) mit der ersten Referenzgröße (Ri) ein erster binärer Zwischenreferenzpuls (ZR1) erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen der Momentanwerte des Dreieckssignals (D) mit der zweiten Referenzgröße (R2) ein zweiter binärer Zwischenreferenzpuls (ZR2) erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Referenzpulses (PR) ein erster Zwischenreferenzpuls (ZRi) mit dem zweiten
Zwischenreferenzpuls (ZR2) exklusiv-oder-verknüpft wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen der Momentanwerte des Dreieckssignals (D) mit dem Wert des Messsignals (M) ein binärer Zwischenmesspuls (ZM) erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Messpulses (PM) ein zweiter Zwischenreferenzpuls (ZR2) mit dem Zwischenmesspuls (ZM) exklusiv-oder-verknüpft wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpuls (PM) und der Referenzpuls (PR) galvanisch getrennt übermittelt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch wiederholte Vergleiche eine Sequenz von Messpulsen (PM) und eine Sequenz von Referenzpulsen (PR) erzeugt und übermittelt werden.
12. Anordnung (1) zum digitalen Übermitteln eines analogen Messsignals (M) , insbesondere mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit ersten Mitteln zum Vergleichen von Momentanwerten eines Dreieckssignals (D) mit einem Wert des Messsignals (M) zum Erzeugen eines binären Messpulses (PM) , zweiten Mitteln zum Vergleichen von Momentanwerten des Dreieckssignals (D) mit mindestens einer vorgebbaren Referenzgröße [R1, R2) zum Erzeugen eines binären Referenzpulses (PR) und dritten Mitteln zum Übermitteln des Messpulses (PM) und des Referenzpulses (PR) mit konstanter Phase.
13. Anordnung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel einen ersten Komparator (2) aufweisen, welcher die Momentanwerte des Dreieckssignals (D) und den Wert des Messsignals (M) vergleicht und einen binären Zwischenmesspuls (ZM) abgibt.
14. Anordnung (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel einen zweiten Komparator (3) aufweisen, welcher die Momentanwerte des Dreieckssignals (D) und die erste Referenzgröße (R1) vergleicht und einen ersten binären Zwischenreferenzpuls (ZRχ) abgibt.
15. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch einen dritten Komparator (4) , welcher Momentanwerte des Dreieckssignals (D) und eine zweite
Referenzgröße (R2) vergleicht und einen zweiten binären Zwischenreferenzpuls (ZR2) abgibt.
16. Anordnung (1) nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mittel zur Exklusiv-Oder-Verknüpfung eines
Zwischenmesspulses (ZM) mit dem zweiten
Zwischenreferenzpuls (ZR2) zur Erzeugung des Messpulses (PM) .
17. Anordnung (1) nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch Mittel zur Exklusiv-Oder-Verknüpfung eines ersten
Zwischenreferenzpulses (ZRi) mit dem zweiten Zwischenreferenzpuls (ZR2) zur Erzeugung des Referenzpulses (PR) .
18. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Mittel eine galvanische Trennung aufweisen.
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