SE461935B

SE461935B - PROCEDURE FOR DIFFERENTIAL SAMPLING

Info

Publication number: SE461935B
Application number: SE8802974A
Authority: SE
Inventors: Henrik Almstroem
Original assignee: Henrik Almstroem
Priority date: 1988-08-25
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1990-04-09
Also published as: SE8802974D0; WO1991012533A1; SE8802974L

Description

461 955 fig 3 visar ett diagram över ett mätförlopp, fig 4 visar ett diagram över ett annat mätförlopp och fig Sa-5c visar olika delar av en annan utföringsform av den dynamikökande anordningen. Fig. 3 shows a diagram of a measuring process, Fig. 4 shows a diagram of another measuring process and Figs. 5a-5c show different parts of another embodiment of the dynamics-increasing device.

Förfarandet innebär att man analogt avkänner ett mätförlopp med en sensor 1. Signalen förstärkas på gängse sätt i en mätförstärkare 2 och får lämp- ligen passera ett lâgpassfilter 3. Lågpassfiltret sätter en övre gräns- frekvens i sådant lämpligt förhållande till samplingsfrekvensen fo vid en efterföljande sampling att samplingsteoremet är uppfyllt. Därefter leds signalen in på en dynamikökande anordning 4. I denna sker en återkoppling från AD-omvandlaren till en fördröjningskrets i anordningen som tillser T, neia uden är iike ned l/fo. 1 den dynenikökende anordningen bildas sedan differensen, Vdiff, mellan signalen vid ett samplingstillfälle och signalen vid det närmast föregående. Signaldiffe- att fördröjningen, rensen Vdiff förstärks sedan lämpligt mycket. Detta kan ske i en differen- tialförstärkare 8. Utsignaler från den dynamikökande anordningen 4 är dels den i ett givet ögonblick samplade direktsignalen 5, dels nämda förstärkta signaldifferens Udíff, 6. Dessa signaler leds till en dator 7 där analog- /digital-omvandlingen fullföljs genom att det momentana värdet skapas ur ett begynnelsevärde för direktsignalen 5 och summan av de därefter till aktuell tid kommande signaldifferenserna Udiff, 6, dividerade med deras förstärkning.The method involves analogously sensing a measuring process with a sensor 1. The signal is amplified in the usual way in a measuring amplifier 2 and may suitably pass a low-pass filter 3. The low-pass filter sets an upper limit frequency in such a suitable relation to the sampling frequency fo in a subsequent sampling that the sampling theorem is met. Then the signal is fed into a dynamics-increasing device 4. In this a feedback takes place from the AD converter to a delay circuit in the device which supplies T, neia without being iike down l / fo. In the dyny-increasing device, the difference, Vdiff, is then formed between the signal at one sampling time and the signal at the immediately preceding one. Signal diff- that the delay, purge Vdiff is then amplified appropriately. This can take place in a differential amplifier 8. Output signals from the dynamics-increasing device 4 are partly the direct signal 5 sampled at a given moment, and partly the said amplified signal difference Udíff, 6. These signals are led to a computer 7 where the analog / digital conversion is completed. by creating the instantaneous value from an initial value of the direct signal 5 and the sum of the subsequent signal differences Udiff, 6, divided by their gain.

Det nya med anordningen är således att man förutom att mäta signalen direkt, V, (n bitar) mäter successiva delar av signalen, Vdíff, enligt figur s. I figuren är vdiff (t) = vu) - vl: - T), T = llfo fo = samplingsfrekvensen.The new thing about the device is thus that in addition to measuring the signal directly, V, (n bits) successive parts of the signal, Vdíff, are measured according to figure s. In the figure, vdiff (t) = vu) - vl: - T), T = llfo fo = sampling frequency.

När signalen har registrerats i datorn kan signalen rekonstrueras ur ut- trycket v(nT) = v (e) + švdiff HT), n = 1, 2, 1 För att undvika samplingsfel vid AD-omvandlingen lâgpassfiltreras signalen vid t ex fo/4 Hz före AD-omvandlingen. Om signalen filtreras något hårda- re approximerar Vdíff väl signalens tidsderivata. 3 461 935 vum - uziï) a'- vdifflmïi/T, m = 1, 2, Fördelen med detta uttryck jämfört med det tidigare är att den absoluta noggrannheten är konstant medan för det tidigare uttrycket den absoluta noggrannheten avtar med ökande m.When the signal has been registered in the computer, the signal can be reconstructed from the expression v (nT) = v (e) + švdiff HT), n = 1, 2, 1 To avoid sampling errors in the AD conversion, the signal is low-pass filtered at eg fo / 4 Hz before the AD conversion. If the signal is filtered a little harder, Vdíff well approximates the time derivative of the signal. 3 461 935 vum - uziï) a'- vdifflmïi / T, m = 1, 2, The advantage of this expression compared to the previous one is that the absolute accuracy is constant while for the former expression the absolute accuracy decreases with increasing m.

Den differentiella signalen Vdiff förstärks före AD-omvandlingen med en faktor K,där K avpassas så att Iuaiffl <1 ”max * dä" ”diff = K'Va1ff' Vdíff erhålles sedan ur “diff = K ”diff- Härvid gäller att dynamiken ökar till n + %åå-å bitar.The differential signal Vdiff is amplified before the AD conversion by a factor K, where K is adjusted so that Iuaiffl <1 "max * when" "diff = K'Va1ff 'Vdíff is then obtained from" diff = K "diff- In this case the dynamics increase to n +% yy-yy bits.

Om förstärkningen K är för stor i ett visst ögonblick dvs erhållet värde på Udiff bottnar (t ex 12 st nollor eller 12 st ettor) kan den direkt- registrerade signalen användas för att erhålla en ny startpunkt för den differentiella registreringen enligt figur 4. m vlniïl = vlo) + gâjvdiff (i?'), m = 1, 2, ..., 1 vom = v+ zm: vdíff (fi), m = j+z, J+2 Anordningen har egenskapen att ju högre samplingsfrekvens fo som används desto större kan förstärkningen K av den differentiella signalen väljas vilket leder till högre dynamik vid mätningen. T ex erhålles med K = 128 en upplösning med 19 bitar med en 12-bitars AD-omvandlare.If the gain K is too large at a certain moment, ie the value obtained on Udiff bottoms (eg 12 zeros or 12 ones), the directly registered signal can be used to obtain a new starting point for the differential registration according to Figure 4. m vlniïl = vlo) + gâjvdiff (i? '), m = 1, 2, ..., 1 vom = v + zm: vdíff (fi), m = j + z, J + 2 The device has the property that the higher the sampling frequency fo as used, the larger the gain K of the differential signal can be selected, which leads to higher dynamics in the measurement. For example, with K = 128, a 19-bit resolution is obtained with a 12-bit AD converter.

I en utföringsform av uppfinningen förstärks således signaldifferensen Vdiff med ett konstant värde K i en differentialförstärkare 8. När man väljer värdet pâ K så finns två motstridiga intressen. Dels önskar man så hög förstärkning som möjligt, dels vill man inte att utrustningen skall bottna, dvs ge t ex 12 stycken ettor eller nollor ut. Man får göra en 461 935 avvägning av förstärkningen K så att sannolikheten för sådan bottning är acceptabelt liten. Om en sådan bottning sker använder man det vid nästa samplingstillfälle erhållna direktvärdet som nytt begynnelsevärde, varpå följande värden beräknas utgående från detta begynnelsevärde och de föl- jande förstärkta signaldifferenserna Udiff, 6, på samma sätt som vid den tidigare beräkningen.Thus, in one embodiment of the invention, the signal difference Vdiff is amplified by a constant value K in a differential amplifier 8. When selecting the value of K, there are two conflicting interests. On the one hand, you want as high a reinforcement as possible, and on the other hand, you do not want the equipment to bottom out, ie give out, for example, 12 ones or zeros. A 461 935 balance must be made between the reinforcement K so that the probability of such bottoming is acceptably small. If such a bottoming takes place, the direct value obtained at the next sampling opportunity is used as the new initial value, after which the following values are calculated on the basis of this initial value and the following amplified signal differences Udiff, 6, in the same way as in the previous calculation.

I en annan utföringsform av uppfinningen förstärker man signaldifferenser~ na Vdíff i ett antal (här exemplifierat med tre stycken) parallella för- stärkare 10, ll, 12 med olika förstärkningar Kl, Kzoch K3 där Kl= 1. Dessa signaler jämförs sedan i komparatorer 13, 14, 15, 16 med utrustningens givna maximala värde fvmax. Man väljer sedan i en logisk krets 17 den största förstärkta signalen 18 som till beloppet är mindre än Vmax och leder den liksom uppgift pâ dess förstärkning 19 till datorn 7. Vid fort- satt analog/digital-omvandling skapas i detta fall det momenta värdet ur ett ursprungligt begynnelsevärde 5 och summan av de därefter till aktuell tid uppmätta förstärkta signaldifferenserna Udíff, 6, dividerade med deras respektive förstärkningar Kl, K2 och K3. Här blir det ju normalt aldrig fråga om att använda ett nytt begynnelsevärde eftersom man utväljer ett värde mindre än Vmax; I exemplet har endast använts :re olika signal- differensvärden U1= -Kl-Vdiff, U2= -K2-Vdiff och U3= -K3-Vdiff, där 1 = K1«< K2-< K3. I exemplet âstadkoms tidsfördröjningen med hjälp av tvâ sample-and-holdkretsar 20, 21, vilket leder till alternerande tecken för Uí. För att minska belastningen på sample-and-holdkretsarna 20, 21 används en isolerande krets 22, 23 före varje sample-and-holdkrets.In another embodiment of the invention, the signal differences Vdíff are amplified in a number (here exemplified by three pieces) of parallel amplifiers 10, 11, 12 with different amplifications K1, Kz and K3 where K1 = 1. These signals are then compared in comparators 13. , 14, 15, 16 with the given maximum value of the equipment fvmax. The largest amplified signal 18 is then selected in a logic circuit 17, the amount of which is less than Vmax, and, as stated on its amplification 19, it is routed to the computer 7. In the event of continued analogue / digital conversion, the instantaneous value is created in this case. an initial initial value 5 and the sum of the amplified signal differences Udíff, 6 subsequently measured at the current time, divided by their respective gains K1, K2 and K3. Here it is normally never a question of using a new initial value because you select a value less than Vmax; In the example only different signal difference values U1 = -K1-Vdiff, U2 = -K2-Vdiff and U3 = -K3-Vdiff have been used, where 1 = K1 «<K2- <K3. In the example, the time delay is achieved by means of two sample-and-hold circuits 20, 21, which lead to alternating characters for U1. To reduce the load on the sample-and-hold circuits 20, 21, an insulating circuit 22, 23 is used before each sample-and-hold circuit.

Signalen erhålles ur V( T) = V(U) + å! Pllí-L [Fifi-K -V HU] m í=1 k¿_ 51 diff = 1 Fﬁ där Kji.Vd1.ff(iT)|< Vmax, lKjïil-Vdiffﬁl )| > Vmax eller ji= 3, i= l,..., m I ett praktiskt fall kan naturligtvis beroende på omständigheterna vilket annat antal, med olika förstärkning, förstärkta signaldifferenser Udiff som helst användas. iThe signal is obtained from V (T) = V (U) + å! Pllí-L [Fifi-K -V HU] m í = 1 k¿_ 51 diff = 1 F ﬁ där Kji.Vd1.ff (iT) | <Vmax, lKjïil-Vdiff ﬁ l) | > Vmax or ji = 3, i = 1, ..., m In a practical case, of course, depending on the circumstances, any other number, with different gain, amplified signal differences Udiff can be used. in

Claims

5,461,955 Patent claims:

1. A method for differentiating sampling with the sampling frequency fo, characterized in that a measuring process is sensed by analogy, that at each sampling stage the sampler signal V is directly formed by the difference, V to increase the dynamics of the subsequent sampling, and to add the actual signal value from the direct value V of the signal at a starting point, the beginning value, and the sum of the current difference values Udif, (6), divided by their gain.

2. A method according to claim 1, characterized in that the signal difference Vdiff is amplified by a constant value selected so that it is as large as possible without the amplified signal difference Udiff amount exceeding the maximum signal voltage Vmax used equipment more than a limited number of times per unit time. that after each time the amplified signal difference Udiff beïopp has exceeded this value, the next direct value V of the signal is used as the new begin value.

3. A method according to claim 1, characterized in that the signal difference Vdiff para11e11t is amplified by a number of fixed gains, after which for each amplified signal difference Udíff the maximum amplified value of the amount is used which is less than the used value. . U. V _ maximaïa s1gna1spann1ng max