JP2020034557A - アナログデジタル変換のための方法および装置ならびに電気的ネットワーク - Google Patents

Abstract

【課題】測定誤差が最小限に低減されるアナログデジタル変換のための改善された方法を達成する。【解決手段】異なる周波数を有する少なくとも２つの干渉信号（Ｓ１，Ｓ２）によって重畳された有用信号を有する少なくとも実質的に連続したアナログ入力信号を、デジタル出力信号にアナログデジタル変換するための方法に関しており、この場合、入力信号は、限定的な測定サイクルでサンプリングされ、この場合、前記測定サイクル内の複数のサンプリング点（Ａ１−Ａ５）の数と時点とが入力信号の周波数に依存して決定される。ここでは、サンプリング点（Ａ１−Ａ５）が、干渉信号（Ｓ１，Ｓ２）の周波数に依存して決定されることが提案されている。【選択図】図１

Description

本発明は、異なる周波数を有する少なくとも２つの干渉信号によって重畳された有用信号を有する少なくとも実質的に連続したアナログ入力信号を、デジタル出力信号にアナログデジタル変換するための方法であって、この場合、入力信号は、限定的な測定サイクルでサンプリングされ、この場合、当該測定サイクル内の複数のサンプリング点の数と時点とが入力信号の周波数に依存して決定される、方法に関する。

さらに、本発明は、前述の方法を実施するための装置、ならびにそのような装置を備えた電気的ネットワーク、特に自動車の搭載電源網または駆動用ネットワークに関する。

冒頭に述べた種類の方法は、従来技術から公知である。そのため、例えば独国特許出願公開第２４５５３０２号明細書（ＤＥ２４５５３０２Ａ１）では、アナログ入力信号が限定的なサンプリングレートのもとで重畳された等間隔で少なくとも擬似確率的に変化するサンプリング間隔におかれる、アナログデジタル変換のための方法が開示されている。これによって、投資コストを大幅に増やすことなく、アナログ入力信号の解像度の向上が達成されるべきである。既知のように、アナログ入力信号は、シャノンまたはナイキスト定理を考慮してサンプリングされることを想定している。このことは、測定サイクル毎のサンプリングの数は、２より大きい数でなければならないこと、ならびに例えば独国特許出願公開第１０２００７０４３９２７号明細書（ＤＥ１０２００７０４３９２７Ａ１）に要約されているように、測定サイクル毎のサンプリングの数は整数であることを伝えている。その他に、そこでは、信号周波数のための推定周波数を算出し、この推定周波数と、それによって最終的に除去された信号周波数とに依存してサンプリング周波数を決定することが提案されている。米国特許第５８１５１０１号明細書（ＵＳ５，８１５，１０１Ａ）からも、入力信号が第１のサンプリングレートおよび第２のサンプリングレートでサンプリングされるデジタル印刷変換のための方法が公知である。

実際には、例えば、自動車の駆動用ネットワークでは、電気的ネットワークが、特に駆動用バッテリーの領域で干渉信号によって重畳されていることが示されている。バッテリセルを監視する場合には、入力信号としてバッテリー電圧またはセル電圧が検出される。その際、電圧信号は、異なる周波数を有する２つの干渉信号によって重畳されていることが多いため、ここでは高周波の干渉信号と低周波の干渉信号とを取り上げる。

測定サイクルにおいて、信号を、ここでは等間隔のサンプリング点でサンプリングするならば、比較的大きな測定エラーが生じる。上述の従来技術で提案された方法は、測定誤差を満足のいくレベルで大幅に低減することはできない。

それゆえ、本発明が基礎とする課題は、測定誤差が最小限に低減されるアナログデジタル変換のための改善された方法を達成することにある。

本発明が基礎とする課題は、請求項１の特徴を有する方法によって解決される。これにより、アナログデジタル変換の際の測定誤差が簡単な方法で最小限に低減される。この場合に想定されたサンプリングの全部の数は、これまでの可能な尺度を超えて増加してはならない。本発明によれば、このことは、サンプリング点が、干渉信号の周波数に依存して決定されることによって達成される。それにより、サンプリング点は、干渉信号に合わせて適合化されるため、特に、干渉信号の最小値と最大値とをより良好に検出することができ、これによって測定誤差が低減可能になる。

本発明の好適な発展構成によれば、少なくとも２つのサンプリング点は、低周波の干渉信号の周波数に依存して決定され、少なくとも２つのサンプリング点は、高周波の干渉信号の周波数に依存して決定される。したがって、この実施形態によれば、好適には、少なくとも全部で４つのサンプリング点が設定され、この場合、２つは低周波の信号に依存し、２つは高周波の制御信号に依存する。その際、特にこれらのサンプリング点は、各干渉信号の周期持続時間に依存して決定される。少なくとも４つのサンプリング点を使用することにより、これらの干渉信号の各々に対して２つ、測定誤差低減の成功が達成される。サンプリング点が干渉信号の周波数に依存して決定されることにより、測定誤差のさらなる低減が達成される。

好適には、１つの測定サイクルに対して４つのサンプリング点が選択されており、つまり、１つの測定周期は、４つのサンプリング点に限定されている。この場合、第１のサンプリング点および第２のサンプリング点は、低周波の干渉信号の１／２の周期持続時間＋少なくとも１つの完全な周期持続時間の間隔に選択される。したがって、第１および第２のサンプリング点は、低周波の干渉信号に依存して設定され、それらは、低周波の干渉信号の少なくとも１．５倍の周期持続時間、２．５倍、３．５倍、４．５倍の周期持続時間等に相当する間隔を相互に有している。このことは、干渉信号の最大値および最小値を検出できるようにするという目標を追求しており、これにより、測定誤差低減のための低周波の干渉信号の有利な考慮が達成される。

さらに好適には、高周波な干渉信号に依存して選択された少なくとも２つのサンプリング点は、第１および第２のサンプリング点に依存して決定される。特に、低周波の干渉信号の最大値および最小値の近傍で高周波の干渉信号を検出するために、２つのさらなるサンプリング点が、第１および第２のサンプリング点の周りに位置決めされる。これにより、測定誤差がさらに低減される。

特に好適には、第３のサンプリング点は、第１のサンプリング点の前または後で高周波の干渉信号の１／２の周期持続時間に設定され、第４のサンプリング点は、第２のサンプリング点の前または後で高周波の干渉信号の１／２の周期持続時間に設定される。サンプリング点の相互の間隔の選択により、理論的には高周波の干渉信号の最大値と最小値とが検出されることが保証され、それによって、測定誤差がさらに低減される。

本発明の好適な発展構成によれば、第５のサンプリング点は、第３または第４のサンプリング点の前または後で高周波の干渉信号の１つの完全な周期持続時間に設定される。これにより、サンプリング周波数が測定サイクル内で高められ、第５のサンプリング点の有利な配置によって測定誤差がさらに低減される。

特に好適には、干渉信号の周波数は事前に算出され、そのため、干渉信号の周波数は当該方法の実施に対して既知であり、利用することができる。

請求項８の特徴を有する本発明による装置は、所定の使用のもとで本発明による方法を実施するように特別に構成された制御機器によって優れている。これにより、既に前述した利点が生じる。

請求項９の特徴を有する本発明による電気的ネットワーク、特に自動車の搭載電源網または駆動用ネットワークは、本発明による装置によって優れている。これにより、前述の利点が得られる。

さらなる利点と好適な特徴、およびそれらの特徴の組み合わせは、前述の説明ならびに特許請求の範囲から生じる。以下では、本発明を図面に基づきより詳細に説明する。

アナログデジタル変換を動作させるための好適な方法を説明するための線図

唯一の図面は、異なる周波数を有し、有用信号を重畳する２つの干渉信号Ｓ１，Ｓ２の経過を簡単な線図で例示的に示している。

干渉信号Ｓ１およびＳ２は、有用信号、例えば自動車のエネルギ蓄積器の電圧信号に重畳し、当該有用信号とともにサンプリングすべき入力信号を形成することから出発する。簡単化のために、図には干渉信号Ｓ１とＳ２とが上下に示されている。これらの干渉信号Ｓ１およびＳ２は、本明細書では正弦波の周期的な信号として、特に時間的に連続して既知の周波数を有することを前提とする。この目的のために、干渉信号Ｓ１およびＳ２は、例えば、事前にシステム内で検出または計算される。本明細書では、干渉信号Ｓ１は３３Ｈｚの周波数を有し、干渉信号Ｓ２は１００Ｈｚの周波数を有する。この場合、干渉振幅は、それぞれ２４０ｍＶにあり、有用信号は３．７Ｖにある。

入力信号は、アナログデジタル変換のためにサンプリングされ、この場合、測定ウィンドウまたは測定サイクル内で最大４つのサンプリング点が使用可能である。その際、測定サイクルは、本明細書では１００ｍｓ、代替的に８０ｍｓにわたって広がる。それに対して、１００ｍｓの測定サイクルのもとでは５本の水平な第１のラインＩ＿１〜Ｉ＿５によって特徴付けられ、８０ｍｓの測定サイクルのもとでは４つの等間隔のサンプリング点のみが使用されるように、これまでは等間隔のサンプリング点が使用されてきたが、しかしながらこれによって、評価もしくはアナログデジタル変換において比較的大きな測定誤差が生じることが示されてきた。サンプル点の数を単純に増加させることによって、それぞれの測定誤差を簡単に低減することはできるのであろうが、しかしながらこれは処理システムによって設定される所定の前提条件のもとでのみ可能である。そのため、例えば自動車の駆動用ネットワークでは、上記の１００ｍｓの時間間隔での測定サイクルにおける５よりも多いサンプリング点の検出、あるいはより短い８０ｍｓの時間間隔での測定サイクルにおける４よりも多いサンプリング点の検出は不可能である。

それにもかかわらず測定誤差を低減するために、サンプリング点が、干渉信号Ｓ１およびＳ２の周波数に依存して決定される好適な方法が想定される。その際、第１のサンプリング点Ａ１および第２のサンプリング点Ａ２は、低周波の干渉信号Ｓ１に依存して設定される。サンプリング点Ａ１とＡ２との間の相互の間隔は、干渉信号Ｓ１の周期持続時間もしくは周波数に依存して、当該間隔が、１／２の周期＋少なくとも１つの完全な周期になるように選択される。このことは以下のように説明できる。すなわち、
ｘ_１＝１／２ｉＴ_１＋ｎｉＴ_１
ここで、前記ｘ_１は、サンプリング点Ａ１とＡ２との間の間隔であり、前記Ｔ_１は、低周波の干渉信号Ｓ１の周期持続時間であり、前記ｎは、整数（０，１，２，３，４……）である。このことは、例えば、サンプリング点Ａ１が、図に示されるように、干渉信号Ｓ１の最小値に存在する場合、第２のサンプリング点Ａ２は最大値に存在することとなる。

好適には全部で４つのサンプリング点のうちの残りの２つのサンプリング点Ａ３およびＡ４は、高周波の干渉信号Ｓ２に依存して、ならびにサンプリング点Ａ１およびＡ２の位置に依存して設定される。

第３のサンプリング点Ａ３は、時間的に第１のサンプリング点Ａ１の前または後（図面ではその前）で、詳細には高周波の干渉信号Ｓ２の１／２の周期持続時間Ｔ_２の間隔に配置される。これにより、サンプリング点Ａ３およびＡ４は、干渉信号Ｓ２の１つの完全な周期持続時間分相互に離れて存在し、そのため、それらは、例えば図に示されるように、それぞれ干渉信号Ｓ２の最小値に存在する。

第４のサンプリング点Ａ４は、第２のサンプリング点Ａ２の前で干渉信号Ｓ２の１／２の周期持続時間Ｔ_２に配置される。これにより、第４のサンプリング点Ａ４は、サンプリング点Ａ３から１／２の周期持続時間Ｔ_２＋複数の完全な周期持続時間Ｔ_２だけ離れる。そのため、それは、サンプリング点Ａ３が干渉信号Ｓ２の最小値に存在する場合、最大値に存在する。この間隔ｘ_２は、以下のように説明できる。
ｘ_２＝１／２Ｔ_２＋ｎＴ_２
ここで、前記ｘ_２は、第２の干渉信号Ｓ２のサンプリング点Ａ３とＡ４との間の間隔であり、前記Ｔ_２は、第２の干渉信号Ｓ２の周期持続時間であり、前記ｎは、整数（０，１，２，３，４，５……）である。

第５のサンプリング点Ａ５は任意選択的に設定され、この第５のサンプリング点Ａ５は、第３または第４のサンプリング点の前または後、本明細書の実施例ではその前で、第２の干渉信号Ｓ２の周期持続時間Ｔ_２に設定される。好適には、１００ｍｓの測定サイクルのもとでは５つのサンプリング点が設定され、８０ｍｓの測定サイクルのもとでは４つのサンプリング点のみが設定される。

これにより、干渉信号Ｓ１，Ｓ２のサンプリングにおける測定誤差を大幅に低減できることが示される。そのため、例えば、低周波の信号Ｓ１の測定誤差は、１３ｍＶ低減可能となり、高周波の干渉信号Ｓ２の測定誤差は、１９２ｍＶ低減可能となる。これにより、入力信号のより正確で信頼性の高いアナログデジタル変換が生じる。

特に、この方法は、バッテリセルの充電電圧を監視するバッテリセル制御器のもとで、またはバッテリセル制御器によって実施される。これにより、バッテリセルの充電電圧の特に正確な検出が可能になる。しかしながら、この方法は、アナログデジタル変換の他の各用途においても使用することができる。

Ｓ１ 干渉信号
Ｓ２ 干渉信号
Ｉ＿１ ライン
Ｉ＿２ ライン
Ｉ＿３ ライン
Ｉ＿４ ライン
Ｉ＿５ ライン
Ａ１ サンプリング点
Ａ２ サンプリング点
Ａ３ サンプリング点
Ａ４ サンプリング点
Ａ５ サンプリング点

Claims (9)

1. 異なる周波数を有する少なくとも２つの干渉信号（Ｓ１，Ｓ２）によって重畳された有用信号を有する少なくとも実質的に連続したアナログ入力信号を、デジタル出力信号にアナログデジタル変換するための方法であって、
   前記入力信号は、限定的な測定サイクルでサンプリングされ、前記測定サイクル内の複数のサンプリング点（Ａ１−Ａ５）の数と時点とが前記入力信号の周波数に依存して決定される方法において、
   前記サンプリング点（Ａ１−Ａ５）は、前記干渉信号（Ｓ１，Ｓ２）の周波数に依存して決定されることを特徴とする、
   方法。
2. 少なくとも２つの前記サンプリング点（Ａ１，Ａ２）は、低周波の前記干渉信号（Ｓ１）の周波数に依存して決定され、
   少なくとも２つの前記サンプリング点（Ａ３，Ａ４）は、高周波の前記干渉信号（Ｓ２）の周波数に依存して決定される、
   請求項１記載の方法。
3. 測定サイクルにおいて、少なくとも４つの前記サンプリング点（Ａ１−Ａ４）が選択され、前記サンプリング点（Ａ１−Ａ４）のうち第１のサンプリング点（Ａ１）および第２のサンプリング点（Ａ２）は、低周波の前記干渉信号（Ｓ１）の１／２の周期持続時間＋少なくとも１つの完全な周期持続時間の間隔に選択される、
   請求項１または２記載の方法。
4. 高周波の前記干渉信号（Ｓ２）に依存して選択された２つの前記サンプリング点（Ａ３，Ａ４）は、前記第１および第２のサンプリング点（Ａ１，Ａ２）に依存して決定される、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 第３のサンプリング点（Ａ３）は、前記第１のサンプリング点（Ａ１）の前または後で高周波の前記干渉信号（Ｓ２）の１／２の周期持続時間に設定され、
   第４のサンプリング点（Ａ４）は、前記第２のサンプリング点（Ａ２）の前または後で高周波の前記干渉信号（Ｓ２）の１／２の周期持続時間に設定される、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 第５のサンプリング点（Ａ５）は、前記第３または第４のサンプリング点（Ａ３，Ａ４）の前または後で高周波の前記干渉信号（Ｓ２）の１つの周期持続時間に設定される、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記干渉信号（Ｓ１，Ｓ２）の周波数は、事前に算出される、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置において、
   所定の使用のもとで請求項１から７までのいずれか１項記載の方法を実施するように特別に構成された制御機器を備えていることを特徴とする、装置。
9. 請求項８記載の装置を備えていることを特徴とする、電気的ネットワーク、特に自動車の搭載電源網または駆動用ネットワーク。