NO302445B1 - Krets for digital måling av et analogt elektrisk signal - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en krets for ved digital måling av et analogt elektrisk signal å frembringe et målesignal.

Det elektriske signal som skal måles, er et analogt signal som kan ha forskjellige verdier mellom en maksimumsverdi og en minimumsverdi. Forholdet mellom maksimums- og minimumsverdien bestemmer signalets dynamiske område. For å oppnå en digital måling av et sådant signal er det derfor vanlig å benytte en analog-til-digital omformer med dynamisk område som er større enn det til signalet. En omformers dynamiske område bestemmes på samme måte som det til et signal og tilsvarer det største tall som den kan frembringe, idet det minste tall tas for å være 1. Det dynamiske område er således en funksjon av det antall biter som omformeren frembringer.

Når signalet har et relativt lite dynamisk område, f.eks. tilsvarende en 8-biters omformer, er denne løsning godt tilpasset, siden omformere av denne type er vanlige og billige. Hvis signalets dynamiske område er større, viser det seg imidlertid å være meget kostbart å benytte omformere som har et større dynamisk område, f.eks. 12 biter.

Siden denne løsning ikke er fordelaktig, er det utviklet en annen løsning, nemlig en beskrevet i US-patent nr. 4 383 247, og som består i å benytte en forsterker med regulerbar forsterkning for å motta det elektriske signal og befordre det videre til en analog-til-digital omformer med lite dynamisk område, idet de digitale data som avgis fra omformeren bestemmer verdien av forsterkerens forsterkning. Styringen av forsterkningen utføres således i en servostyringssløyfe og en sådan krets er utsatt for de kjente begrensninger som ligger i servostyringssystemer.

Et formål for foreliggende oppfinnelse er således å fremskaffe en målekrets som gir den digitale verdi av et elektrisk signal, idet kretsen omfatter en forsterker med regulerbar forsterkning og en analog-til-digital omformer, men hvor bruk av en servostyringssløyfe unngås.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en krets for digital måling av et analogt elektrisk signal og frembringelse av et målesignal, og som omfatter en forsterker som mottar det elektriske signal og hvis forsterkning reguleres av et styresignal, idet forsterkeren etterfølges både av minst en analog-til-digital omformer som avgir digitale data og av en styreenhet for å frembringe nevnte styresignal som kan ha i det minste to tilstander som bevirker forsterkningsverdier (G.,, G2), idet styreenheten er innrettet for å lagre verdier for en metningsterskel samt for digitale data (N.,, N2) oppnådd for hver av nevnte forsterkningsverdier, og for å frembringe nevnte målesignal på grunnlag av nevnte lagrede verdier.

På denne bakgrunn av tidligere kjent teknikk, særlig fra ovenfor nevnte US-patent samt fra EP-publikasjon nr. 0 072 144, US-patent nr. 3 187 323 og nr. 3 685 047, og NO-publikasjon nr. 176 739, har da kretsen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at styreenheten er innrettet for i løpet av en målesyklus å frembringe nevnte styresignal i dets minst to tilstander og frembringe et målesignal som tilsvarer kvotienten N1/G1eller N2/G2ved en av de tilsvarende forsterkningsverdier, ut ifra de digitale data oppnådd med denne forsterkningsverdi, idet nevnte forsterkningsverdi er den høyeste som gir digitale data under metningsterskelen.

Kretsen i henhold til oppfinnelsen er fortrinnsvis innrettet for å beregne målesignalet på grunnlag av gjennomsnittlige verdier av de digitale data som er tilordnet hver sin verdi av nevnte forsterkningsverdier.

Kretsen for digital måling av et analogt elektrisk signal kan med fordel brukes for måling av et fase- eller frekvensmodulert sinusformet signal, idet den da også omfatter en kvadraturdemodulator som via forsterkeren mottar det sinusformede signal og avgir innbyrdes forskjellige basisbåndsignaler til to analog-til-digital omformere og at styreenheten, for å oppnå et målesignal, genererer digitale data ved å beregne kvadratroten av summen av kvadratene av de to digitale verdier avgitt fra hver av nevnte analog-til-digital-omformere.

Forskjellige formål og særtrekk ved oppfinnelsen vil fremgå mer detaljert i den etterfølgende beskrivelse av utførelser som er gitt i form av ikke-begrensende eksempler og under henvisning til den vedføyde tegning, på hvilken: Fig. 1 er et blokkskjema som viser en første utførelse av en krets i henhold til

oppfinnelsen, for digital måling av et analogt elektrisk signal, og

Fig. 2 er et blokkskjema som viser en anvendelse av den digitale målekrets.

Identiske gjenstander som finnes i begge figurer har fått samme tallhenvisning.

Skjønt oppfinnelsen er anvendelig for signaler som varierer, antas det innledningsvis at signalet holder konstant verdi så lenge en måling pågår.

Den digitale målekrets som er vist i fig. 1 mottar et analogt inngangssignal I og genererer et digitalt målesignal M. Kretsen består i hovedsak av en forsterker 1 etterfulgt av en analog-til-digital omformer 2 som igjen etterfølges av en styreenhet 3. Inngangssignalet I varierer mellom en minimumsverdi lm og en maksimumsverdi lM.

Forsterkeren 1 er en krets hvis forsterkning kan reguleres i bestemte trinn ved hjelp av et styresignal 3. Sådanne kretser er kjent og kan f.eks. bestå av en operasjonsforsterker knyttet til et nett av motstander som kan kobles inn og ut for å variere forsterkningen. Den kan også bestå av en forsterker med fast forsterkning og som på sin utgangs- eller inngangsside er forbundet med et dempeledd hvis dempning kan bringes til å variere. Selv om den er vist som om den utgjør en enkelt modul, kan forsterkeren med varierbar forsterkning dessuten være bygget opp av flere fysiske komponenter plassert langsmed målekretsen, og hver av komponentene kan ha varierbar forsterkning eller dempning. I det viste eksempel er forsterkeren 1 en enkelt forsterker og den har to forsterkningsverdier G1og G2, hvor G1er mindre enn G2.

Analog-til-digital-omformeren 2 har en følsomhet S som representerer det minste signal som den er i stand til å påvise. Den har et dynamisk område D, dvs. at den kan skille mellom signaler som ligger hvor som helst i området S til S • D. Den genererer en digital verdi N. Med den gitte angivelse av inngangssignalet I må de forskjellige nevnte digitale verdier tilfredsstille visse betingelser: Styreenheten 3 genererer et digitalt målesignal M som er verdien av inngangssignalet I. Observasjonstiden som er det tidsrom hvor målingen utføres, deles inn i fire partier som utgjør en målesyklus: - i det første parti genererer styreenheten et styresignal C som frembringer forsterkningen G1i forsterkeren 1,

- deretter lagrer den verdien N1avgitt fra omformeren 2,

- i det tredje parti endrer den forsterkerens forsterkning til G2ved hjelp av styresignalet

C, og

- til slutt lagrer den verdien N2avgitt fra omformeren 2.

Styreenheten lagrer også en metningsterskel som sammenlignes med verdien N2. Hvis N2overskrider terskelen, erklæres målingen for ugyldig og styreenheten avgir et måleresultat M som er lik N^G^ I motsatt fall avgir styreenheten et signal som har verdien N2/G2. Uten å gå utenfor oppfinnelsens omfang kan styreenheten frembringe et målesignal på en hvilken som helst annen måte. For eksempel kunne den få alle inngangssignaler I som ligger mellom to bestemte verdier til å tilsvare en enkelt verdi.

Ved å benytte en 8-biters omformer som har et dynamisk område på 48 dB, er det derved mulig å måle et inngangssignal med et dynamisk område på 64 dB, hvilket normalt ville kreve at en 11 -biters omformer ble benyttet. Det skal bemerkes at med denne oppstilling kan den digitale målekrets teoretisk godta et inngangssignal som har et dynamisk område på 96 dB, forutsatt at forskjellen mellom G1og G2er 48 dB. Denne oppbygning kan lett generaliseres til tilfeller hvor forsterkeren 1 kan innstilles til mer enn to forsterkningstrinn. Likeledes er oppfinnelsen ikke begrenset til bruk at en 8-biters omformer.

Oppfinnelsen er blitt beskrevet ut fra den antagelse at styreenheten 3 innhenter data bare en gang for hver gitt forsterkningsverdi. Målingene kan imidlertid gjøres mer pålitelige ved å øke det antall ganger data innhentes i løpet av observasjonsperioden, f.eks. ved å øke omformerens prøvetagningsfrekvens. Styreenheten vil da kunne frembringe et resultat som er en gjennomsnittsverdi.

Så langt er det antatt at inngangssignalet I er konstant over hele observasjonstidens varighet. Oppfinnelsen er like anvendelig når dette ikke er tilfelle. Når f.eks. toppverdien av et periodisk signal skal måles, føres dette signal inn i en vanlig krets for påvisning av toppverdi før det tilføres den digitale målekrets.

Oppfinnelsen er særlig anvendelig når det er behov for å måle nivået av et sinusformet signal som er fase- eller frekvensmodulert. I en sådan anvendelse og som skjematisk vist i fig. 2, tilføres da signalet S til en forsterker 1 som er identisk med den beskrevet ovenfor. Denne forsterker etterfølges av en kvadraturdemodulator 20 som mottar det forsterkede signal S og som avgir to basisbåndsignaler J og Q med en faseforskyvning påk/2i forhold til bærefrekvensen for signalet S. Disse signaler J og Q tilføres så hver sin analog-til-digital-omformer 21 og 22 som er identisk med omformeren 2 i fig. 1, og frembringer digitale data D og D'. En styreenhet 31 som mottar begge sett av digitale data genererer den ovenfor angitte digitale verdi N ved å ta kvadratroten av summen av kvadratene av D og D' som følge av inngangssignalets sinusformede preg. Den digitale behandling fortsettes så i samsvar med den ovenfor beskrevne prosedyre. Oppfinnelsen er anvendelig forutsatt at modulasjonsfrekvensen er mye mindre enn bærefrekvensen. Det må antas at inngangssignalet S beholder samme fase over en tidsperiode som tilsvarer en fjerdedel av bærebølgens periode. Feilen som denne antagelse kan føre til, reduseres i vesentlig grad når målesignalet M er et gjennomsnitt av et stort antall datainnhentninger som kan oppnås ved hjelp av oppfinnelsen slik det er beskrevet ovenfor.

Claims (2)

1. Krets for digital måling av et analogt elektrisk signal og frembringelse av et målesignal (M), og som omfatter en forsterker (1) som mottar det elektriske signal og hvis forsterkning reguleres av et styresignal (C), idet forsterkeren etterfølges både av minst en analog-til-digital omformer (2) som avgir digitale data (N) og av en styreenhet (3) for å frembringe nevnte styresignal som kan ha i det minste to tilstander som bevirker tilsvarende forsterkningsverdier (G.,, G2), idet styreenheten er innrettet for å lagre verdier for en metningsterskel samt for digitale data (Nv N2) oppnådd for hver av nevnte forsterkningsverdier, og for å frembringe nevnte målesignal (M) på grunnlag av nevnte lagrede verdier, karakterisert vedat styreenheten (3) er innrettet for i løpet av en målesyklus å frembringe nevnte styresignal i dets minst to tilstander og frembringe et målesignal som tilsvarer kvotienten N1/G1eller N2/G2ved en av de tilsvarende forsterkningsverdier, ut ifra de digitale data oppnådd med denne forsterkningsverdi, idet nevnte forsterkningsverdi er den høyeste som gir digitale data under metningsterskelen.

2. Krets ifølge krav 1, karakterisert vedat nevnte målesignal (M) er beregnet på grunnlag av gjennomsnittlige verdier av de digitale data (N) som er tilordnet hver sin verdi av nevnte forsterkningsverdier. -3. Krets ifølge krav 1 eller 2 og beregnet på måling av et fase- eller frekvensmodulert sinusformet elektrisk signal, karakterisert vedat den også omfatter en kvadraturdemodulator (20) som via nevnte forsterker (1) mottar det sinusformede signal og avgir innbyrdes forskjellige basisbåndsignaler (J, Q) til to analog-til-digital omformere (21, 22) og at styreenheten (31), for å oppnå et målesignal (M), genererer digitale data (N) ved å beregne kvadratroten av summen av kvadratene av de to digitale verdier (D, D') avgitt fra hver av nevnte analog-til-digital-omformere.