WO2002019532A2 - Method and device for converting an analog input signal into a sequence of digital output values - Google Patents

Method and device for converting an analog input signal into a sequence of digital output values Download PDF

Info

Publication number
WO2002019532A2
WO2002019532A2 PCT/EP2001/009750 EP0109750W WO0219532A2 WO 2002019532 A2 WO2002019532 A2 WO 2002019532A2 EP 0109750 W EP0109750 W EP 0109750W WO 0219532 A2 WO0219532 A2 WO 0219532A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
value
difference value
digital output
input signal
amount
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/009750
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2002019532A3 (en
Inventor
Elmar Herzer
Hans-Peter Hohe
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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
Priority claimed from DE10052152A external-priority patent/DE10052152C1/en
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Priority to AU2001282120A priority Critical patent/AU2001282120A1/en
Publication of WO2002019532A2 publication Critical patent/WO2002019532A2/en
Publication of WO2002019532A3 publication Critical patent/WO2002019532A3/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/48Servo-type converters

Definitions

  • the present invention relates to the conversion of an analog input signal into digital output values and in particular to the analog / digital conversion of position sensor signals when positioning machine tools.
  • Figure la and Figure lc show, for example, two different arrangements for measuring the linear position, while Figure lb shows an arrangement for measuring an angle of rotation.
  • Figure la shows an excitation coil 10 and two measuring coils 20 and 30 and a measurement object 40 with suitable material properties, such as a suitable magnetic susceptibility, which is arranged between the excitation coil 10 on one side and the measuring coils 20 and 30 on the other side , and is linearly movable along an axis 50.
  • the arrangement is designed in such a way that a linear displacement Movement of the measurement object 40 or the excitation coil 10 causes a change in the coupling ratios between the excitation coil 10 and the measuring coil 20 and between the excitation coil 10 and the measuring coil 30.
  • An excitation voltage on the excitation coil 10 therefore causes signals on the measuring coils 20 and 30 which are in quadrature with one another.
  • the position of the measurement object 40 can be defined as an angle ⁇ , which determines the relationship between the two measurement signals, as will be explained in the following.
  • the arrangement shown in FIG. 1b corresponds to the arrangement shown in FIG. 1a except for the measurement object 40.
  • the measurement object is formed by a rotatable body 50.
  • the ratio between the measurement signals detected in the measuring coils 20 and 30 changes as a function of the angle of rotation ⁇ , as a result of which the angle of rotation ⁇ can be determined.
  • FIG. 1c shows an alternative arrangement to FIG. La with magnetoresistive sensors 60 and 70, a magnetic scale 80 serving as the linearly displaceable measurement object.
  • the magnetic scale 80 has two suitably aligned magnetic areas, each of which generates opposite magnetic fields at the location of the magnetoresistive sensors 60 and 70, these areas being represented in FIG. 1c by four bar magnets 80a, 80b, 80c and 80d oriented in alternating directions , Moving the scale 80 along an axis 90 changes the magnetic field at the location of the magnetoresistive sensors 60 and 70 and thus the electrical resistance such that signals are measured at the sensors 60 and 70 which are in quadrature with one another. Consequently, the variation of these signals is characterized in that they are essentially quadrature with one another.
  • FIG. 2 shows the relationship between the value ⁇ on the one hand and the measurement signals on the measuring coil 20 or the magnetoresistive sensor 60 (Usin) and on the measuring coil 30 or the magnetoresistive sensor 70 (Ucos) on the other hand as a function of an excitation voltage U 0 .
  • the following relationships between the excitation voltage U 0 , the measured value, such as the angle of rotation, and the measurement signals Usin and Ucos result from FIG.
  • U 0 can be any DC or AC voltage and the general form of
  • Fig. 3 shows the block diagram of a device with separate digitization.
  • the input signals Usin and Ucos are fed in at two channel inputs 100 and 110, respectively.
  • Both inputs 100 and 110 are connected to series-connected low-pass filters 120 and 130 and analog / digital converters 140 and 150, which are connected in series.
  • the low-pass filters 120 and 130 are connected upstream of the analog-digital converters 140 and 150 in order to comply with the Nyquist criterion when scanning within the converters _140 and 150.
  • the demodulation of the digitized signals generated in this way is carried out by means of a multiplication 160 or 170 with a carrier frequency signal fed in at an input 180.
  • the calculation of ⁇ by calculating the arctangent is done digitally in a computer block 190.
  • the low-pass filters 120 and 130 and the analog-digital converters 140 and 150 must consequently be designed for processing signals with a carrier frequency, which means an increased outlay.
  • a digital filter 200 is connected behind block 190 to effect interference suppression. All elements of the circuit shown in Fig. 3 are integrated monolithically or hybrid in a module.
  • a disadvantage of this method is that the resolution and the conversion time cannot be set dynamically. In the event that a noise signal is superimposed on the input signal that is larger than the least significant bit, the resolution can be increased by Ni bits in the digital filter by averaging over 2 2Nl values. This is called dithering and results in an increase in the resolution proportional to the root of the averaged time period.
  • the theoretical physical limit for measuring accuracy is characterized by a constant product of resolution and averaging time and is above all at higher resolutions, far from the results of this method.
  • the tracking process is based on the tracking of the digital value ⁇ with the help of a control loop.
  • the feedback error signal required is calculated by non-linear analog circuits.
  • FIG. 4 shows a conventional converter using the post-processing method, which is produced by iC-House, with a sine / digital converter.
  • 4 comprises two inputs 200 and 210 to which the demodulated signals A x sin () and A x cos ( ⁇ ) are applied.
  • the two inputs 200 and 210 are directly connected to two inputs of a switching device 240 via an inverter 220 and 230, respectively.
  • the switching device 240 receives segment control information at an input 245, which will be explained in the following, and in accordance with this information either routes the non-inverted or inverted input signal of the input 200 to the non-inverting input of a comparator 250 or either the non-inverted or inverted input signal of the input 210 to a multiplier 260.
  • the output of multiplier 260 is connected to the inverting input of comparator 250.
  • the output of the comparator 250 is connected to an up / down counter 270, which receives information about the resolution to be achieved or signals for controlling hysteresis effects and a clock signal via three inputs 280, 290 and 295.
  • the output of the up / down counter 270 is connected to the converter output 300 and in a feedback loop to the input of a digital / analog converter 310.
  • the output of the digital / analog converter 310 is connected to an input of a calculation device 320 for calculating the tangent or the cotangent, the selection of the function on which the calculation is based being controlled via an input 330 by the segment control information.
  • the output of the calculation device 320 is connected to a further input of the multiplier 260.
  • the mode of operation of the converter of FIG. Four will now be described.
  • the digital conversion result or the current output value ⁇ is stored in the up / down counter 270 and is converted into an analog via the digital / analog converter 310 Voltage converted. This is multiplied by one of the two output signals of the switching device 240, the product being compared by the comparator 250 with the analog output signal.
  • the output of the comparator 250 leads to the direction input of the counter 270.
  • the counting direction for each clock signal 295 is maintained by the counter until the output voltage of the digital / analog converter 310 proportional to the output value corresponds to the value ⁇ of the input voltages.
  • the output value of the sine / digital converter is not proportional to the input voltage, but rather to its phase ⁇ .
  • the phase is available at inputs 200 and 210 in the form of A x sin ( ⁇ ) and A x cos ( ⁇ ).
  • the tangent function is formed from the initial value ⁇ in the feedback along the feedback loop, and the result is multiplied by cos ( ⁇ ).
  • the end result is compared to sin ( ⁇ ). The following relationship is therefore obtained as a regulation for the regulation:
  • a period is divided into eight segments.
  • the input signals at inputs 200 and 210 are exchanged by the segment control, and the cotangent function is formed in the feedback instead of the tangent function.
  • the sine-digital converter runs automatically on the shortest path into the segment and has therefore reached its operating point after a maximum of n / 2 clock cycles with a static input signal, where n corresponds to the resolution.
  • the demodulation of possibly With the converter, th signals can be implemented by carrier-synchronous reversal of the segment control.
  • a disadvantage of the converter described above is that the resolution is determined internally by the number of counting steps and cannot be changed dynamically.
  • the converter shown in FIG. 4 never comes to rest, since the counter continuously counts up or down the least significant bit of the output value even with a constant input signal, which must be prevented by hysteresis control.
  • an area is spanned on both sides of the counter value and checked within two clock periods whether the input signal is still within this area.
  • the output frequency is consequently only half of the clock frequency, and an additional circuit is necessary to prevent the output value from fluctuating with an otherwise constant input signal.
  • 5 shows the block diagram of a further conventional converter according to the tracking method.
  • This ratiometric converter is used, for example, in the modules of the RDC 19200 series from DDC or AD2S44 from ANALOG DEVICES. 5 shows, this converter comprises two inputs 400 and 410, at which the input signals Usin and Ucos are present.
  • the two inputs 400 and 410 are connected to a device 420 for sin / cos multiplication and addition.
  • Device 420 outputs an alternating signal error ⁇ to an output 430 and to an input of a phase-sensitive demodulator (PSD) 440.
  • PSD phase-sensitive demodulator
  • the PSD also receives a signal at the carrier frequency via an input 450.
  • the PSD 440 outputs a DC signal error E at an output 460 and at the input of an integrator 470.
  • the integrator gives an integrated 480 and an input of a VCO 490 an error signal.
  • the VCO 490 outputs clock signals clk and direction information to a counter 520 via two lines 500 and 510.
  • the counter 520 is connected to the digital output 530 of the converter and to a further input of the device 420.
  • Inputs 400 and 410 are multiplied by device 420 by sin ( ⁇ ) and cos ( ⁇ ), and the results are then subtracted from one another. After demodulation by the PSD 440, an error signal E results which is proportional to ( ⁇ - ⁇ ) for small deviations from ( ⁇ - ⁇ ).
  • This signal E is integrated at least once, as a result of which a signal V (velocity) is obtained which is supposed to be proportional to the speed.
  • V velocity
  • the VCO controls the counter at the appropriate speed, forwards or backwards.
  • the conversion process suppresses interference.
  • a disadvantage of the circuit shown in FIG. 5 is that its behavior essentially depends on the external structure and the circuitry.
  • the resolution is determined internally by the width of the counter word and can therefore be used during the Operating cannot be changed dynamically.
  • the integration time of the analog integrator in practical use is longer than the averaging time of the digital filter. A shortening of the digital integration time does not lead to a higher dynamic with reduced resolution.
  • WO 93/22622 describes an interpolating converter which is used in module AD598 from ANALOG DEVICES.
  • This converter converts LVDT signals into PWM-encoded digital signals. Instead of arctan (x) formation, only a quotient formation is carried out. This is done by linearly multiplying the input signals by the PWM signal.
  • this converter is a single-bit sigma-delta converter with special single-bit feedback on the two input signals.
  • this converter can only approximately evaluate resolver signals, since the sinusoidal shape of the modulation is not taken into account.
  • the control system can also become slightly unstable. Multi-integrating systems, which are characterized by small static control deviations, are particularly susceptible in this regard. This also affects the user of the circuit, since it becomes difficult to integrate the converter module in a functioning system. In addition, the susceptibility to electromagnetic interference from other assemblies increases.
  • EP0158841 AI describes an analog-to-digital converter in which a first discriminator compares the input voltage with the output voltage of a digital-to-analog converter connected downstream of a digital integrator and causes the digital integrator to count up or down by a least significant bit, if the input voltage is lower or higher by more than about half the voltage corresponding to a least significant bit.
  • additional window discriminators are provided, which enable faster output signal feedback with rapid fluctuations in the input voltage.
  • DE 19540106 C2 describes a control unit for an electric motor with a position sensor with an analog output signal.
  • An analog-digital converter is connected downstream of the position sensor, which in turn is followed by a computing circuit for determining position values.
  • a correction formwork is provided in order to correct the time delay in the calculation of the position value.
  • EP 0169535 A2 describes an analog / digital converter in which a voltage generated by a built-in D / A converter is successively subtracted from an analog input signal and the digital code of the built-in D / A converter is derived as the digital output signal when between the voltage generated by the D / A converter and the ana- the input signal is determined by a comparator. The output of the comparator is fed back to be superimposed on the subtracted result and to be used to control the D / A converter.
  • UK 2242583 A describes a double reference angle encoder / digital converter in which a cosine and sine encoder signal is multiplied by an internal digital sine or cosine signal in a DAW, and the output signals are fed to an error amplifier, which generates an error signal which is digitized by a converter and demodulated by the encoder using a digitized reference signal.
  • the output signal is demodulated in the demodulator and fed to a binary accumulator via a digital filter.
  • the accumulator output signal is first used by a cosine look-up table to generate the cosine input signal for the DAW via a modulator, and secondly by a sine look-up table to generate the sine input signal for the DAW via a further modulator.
  • the demudulator and modulators are connected to an internal digital reference synthesizer.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for converting an analog input signal in a sequence of digital output values, so that the dynamic properties of the conversion are improved and nevertheless high for static input signals
  • the method according to the invention for converting an analog input signal into a sequence of digital output values comprises forming a first difference value between the current output value and the analog input signal.
  • the method further includes checking whether the amount of the first difference value exceeds a predetermined amount, and if the amount of the first difference value exceeds the predetermined amount, the digital output value is readjusted using a specific control value.
  • the amount of the first difference value does not exceed the predetermined amount, forming a second difference value between the first difference and an integration value consisting of the sum of the negated first difference values since the check in the step of checking continuously revealed that the amount of the first difference value does not exceed the predetermined amount, comparing the second difference value with a predetermined threshold value and incrementing or decrementing the digital output value depending on the result of the comparison.
  • the device according to the invention for converting an analog input signal into a sequence of digital output values comprises a device for forming a first difference value between the current digital output value and the analog input signal and a device for checking whether the amount of the first difference value exceeds a predetermined amount.
  • a device is provided for readjusting the digital output value using a predetermined control value if the amount of the first difference value exceeds the predetermined amount.
  • the device further comprises means for forming a second difference value between the first difference value and one Integration value consisting of the sum of the first difference values since the means for checking continuously determined that the amount of the first difference value does not exceed the predetermined amount, for comparing the second difference value with a predetermined threshold value and for incrementing or decrementing the digital one Initial value depending on the result of the comparison if the amount of the first difference does not exceed the predetermined amount.
  • the present invention takes into account the knowledge that mechanical systems are subject to mechanical inertia, so that when a machine moves quickly, an evaluation of the current position of the machine with full resolution is not necessary. Only when the movement is relatively slow, when the machine has almost reached its destination, is the more precise position interesting.
  • slow down is to be understood relative to the electronic processing speed, in that a machine only needs a few milliseconds to slow down and a human observer describes this process as "stopping", ⁇ . for integrated electronic systems but a few milliseconds mean a "long time”.
  • the readjustment of the output value is carried out by adding or subtracting a plurality of counter values to or from the current output value depending on the sign of the first difference value until the output value receives the input signal crosses or exceeds.
  • a fine quantization is carried out, in which it is checked whether the second difference value has crossed the threshold value and, if this is the case, the direction in which the second difference value has crossed the threshold value is determined , whereupon the current digital output value is incremented or decremented depending on the specific direction.
  • the resulting sequence of output values oscillates around the two digital values closest to the constant input signal. From the frequency of the occurrence of the values, subsequent averaging with respect to a variable number of successive output values of the sequence of output values enables a higher resolution to be achieved, for example when the machine approaches its target position and the output rate can consequently be lower.
  • the averaging duration and thus the dead time of the control system can be set to a current travel speed or to a suitable output rate for the sequence of output values via the number of digital output values used for averaging.
  • the present invention is applied to signals which are quadrature with respect to one another, as arise when LVDTs and RVDTs or arrangements with magnetoresistive resistors or Hall sensors are used.
  • This is a 4-quadrant adder which consists of two multiplying DACs and an adder are used to obtain the first difference value from the signals which are quadrature with respect to one another.
  • the present invention is therefore suitable for processing a pair of signals of the same frequency and for determining a digitally represented value from the instantaneous amplitude, the one in the eye represented by a sensor. During digitization, the phase of the carrier contained in the input signals can be taken into account, as a result of which conversion and demodulation are carried out simultaneously.
  • An advantage of the present invention is that an integration of a converter according to the present invention is easier to implement than with the converters known in the prior art.
  • integration into a standard CMOS technology is possible.
  • the subsequent linear interpolation between the output values can achieve a higher resolution than the resolution of the multiplying DACs of the 4-quadrant multiplier, which reduces the area required for the multipliers used and makes them faster .
  • three comparators take over the task of the VCOs used in conventional converters, which are difficult to reproduce to integrate, and the lack of a PSD eliminates interference, signal distortions, increased chip area consumption, offset problems, etc., as occur in the prior art , so that less critical components have to be used overall.
  • Another advantage of the present invention is that better dynamic properties can be achieved with a high static resolution. Consequently, very fast machine controls can also be implemented digitally using the method or the device of the present invention.
  • the resolution of the sequence of digital output values depends on the dynamics of the input signal, with rapidly changing input signals being sampled at a high rate but with a low resolution, for example with a step size which is a multiple times the total resolution, and slowly changing input signals are sampled with high resolution.
  • Another advantage of the present invention is the speed and stability of the tracking of the digital output value, since the sequence of output values can react more quickly to a large change in the input signal and still has hardly any overshoot.
  • the interference suppression and the elimination of the control deviation using the integration value are retained.
  • the integration value sums up all previous conversion errors and consequently enables the subsequent interpolation of values between the values that can be set with the multiplier DACs.
  • the resolution of a converter according to the invention can be increased by Ni bits with an interpolation filter of length 2 Nl .
  • FIG. 2 shows a vector diagram to illustrate the relationship between output signals which are in quadrature with one another, an excitation signal and an angle of rotation;
  • 3 shows a block diagram of a converter with separate digitization of the two input signals according to the prior art
  • 4 shows a block diagram of a converter with a sinus / digital converter according to the prior art
  • FIG. 6 shows a block diagram of a converter according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating the part of the converter of FIG. 6 that performs the rough quantization
  • FIG. 8 is a block diagram of the part of the converter of FIG. 6 that carries out the fine quantization
  • FIG. 9 shows a block diagram of the part of the converter from FIG. 6 that averages the sequence of output values
  • Fig. 10 is a block diagram of the 4-quadrant adder of the converter shown in Fig. 6;
  • 11a is a graph in which signal values are plotted against successive cycle steps, which occur in a first example sequence of the circuit of FIG. 6;
  • 11b is a graph in which further signal values are plotted against successive cycle steps, which occur in the first example sequence of FIG. 11a;
  • 11c is a graph in which signal values are plotted against successive cycle steps, which occur in a second example sequence of the circuit of FIG. 6;
  • FIG. 11d shows a graph in which further signal values are plotted against successive cycle steps, which occur in the second example sequence from FIG. 11c;
  • FIG. 12 shows a block diagram of a converter according to a special exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows the block diagram of the converter
  • FIGS. 7-10 show individual parts of the converter, on the basis of which the functioning of the converter of FIG. 6 is explained.
  • the converter includes a 4-quadrant adder 610, an inverting integrator 620, an adder 630, three comparators 640, 650, 660 (H, L, I), control logic 670, an open / Down counter 680 and a customizable digital filter 690.
  • An input of adder 610 is connected to input 700 of the converter to receive input signal ⁇ , the output of adder 610 being connected to the inputs of comparators 640 and 650 and the integrator 620 and an input of the adder 630 is connected.
  • the adder 630 receives the integrated output signal ⁇ of the integrator 620.
  • the output ⁇ of the adder 630 is connected to an input of the comparator- tors 660 connected.
  • the outputs of the comparators 640-660 are each connected to an input of the control logic 670.
  • the control logic 670 is connected at three outputs to an input of the integrator 620, the up / down counter 680 and the adaptable digital filter 690.
  • the output of the up / down counter 680 is connected to a further input of the adder 610 and to an input of the digital filter 690 and 'outputs the conversion result and the current digital output value ⁇ n of.
  • the output of the adaptive filter 690 is connected to an output 710 of the converter in order to output the filtered conversion result.
  • Fig. 7 shows the part of the circuit of - Fig. 6 which performs the rough quantization of the input signal ⁇ . This portion is formed by a feedback loop that includes 4-quadrant adder 610, comparators 640, 650, and 660, control logic 670, and up / down counter 680.
  • the comparator 640 receives the error signal ⁇ and checks whether the error signal ⁇ exceeds a certain threshold value S.
  • Corresponding The comparator 650 checks the error signal ⁇ to determine whether it is less than the minus the threshold value S. Since the integrator 620 (FIG. 6) does not supply an output signal, the adder 630 (FIG. 6) passes on its input signal ⁇ directly and can be omitted for this consideration.
  • the comparator 660 checks whether the value of ⁇ exceeds zero. Consequently, the three comparators 640, 650 and 660 cooperate in order to check whether the error signal ⁇ lies outside a specific area surrounding the zero or whether the magnitude of the error signal ⁇ exceeds the threshold amount and which sign ⁇ has.
  • the instantaneous digital value or the conversion result ⁇ n is very far away from the analog input value ⁇ , with the respective comparator 640 or 650 sending a corresponding signal to the control logic 670 to effect that the instantaneous digital value, which is stored in the up / down counter 680, is adapted to the input signal ⁇ .
  • the adaptation or readjustment of the instantaneous digital value is carried out by suitably adding or subtracting a control value, for example a certain number of counter values, the control loop operating in such a way that the current digital value is tracked until the converter result ⁇ n corresponds to the analog input value ⁇ exceeds or crosses.
  • This tracking is preferably carried out without a major time delay, for example using proportional control.
  • the up / down counter 680 the current digital value per control cycle by a certain amount adapted to the magnitude of the error signal ⁇ Number of counter values increased or decreased.
  • a lookup table could be used to determine the number of counter values depending on the error signal ⁇ .
  • Such an adjustment of the counter increment or the resolution takes into account the fact that machines have a mechanical inertia, so that it is not necessary to track the current digital value by individual counter values. This also enables faster machine movements to be tracked.
  • the current digital value ⁇ n in the up / down counter 680 to be tracked per cycle simply by adding or subtracting an individual counter value or incrementing or decrementing it.
  • FIG. 8 The part of the circuit of FIG. 6 that performs the fine quantization is shown in FIG. 8 and comprises in a control loop the 4-square adder 610, the inverting integrator 620, the adder 630, the comparator 660, the control logic 670 (FIG. 6 ) and 680.
  • This section operates the up / down counter ⁇ the circuit to the fine quantization, in the case to carry out, that the actual conversion result ⁇ n of the input signal ⁇ only slightly, e.g. only deviates by a maximum of 2 counter values. If this is the case, the integrator 620 is activated by the control logic 670 (FIG. 6), which is again not shown in FIG. 8 for reasons of clarity, and the fine quantization begins.
  • the integrator 620 outputs an integration signal ⁇ at its output that corresponds to the integration of the inverted error signal - ⁇ that has occurred so far since the time since the amount of the error signal ⁇ was below the threshold amount for the last time.
  • the adder 630 subtracts the integration value ⁇ from the current error signal ⁇ and outputs the difference ⁇ to the comparator 660.
  • the comparator 660 compares the difference value output by the adder 630 with a comparison value and outputs the result of the comparison to the control logic 670.
  • the control logic 670 (FIG. 6) controls the up / down counter 680 in such a way that the current digital value ⁇ n is incremented by a counter value if ⁇ is greater than the comparison value of the comparator 660, and ⁇ n is otherwise decremented , As will become clear in the following, this regulation causes the conversion result ⁇ n to fluctuate around the two digital values that are closest to the input signal ⁇ .
  • Table 1 Table 1
  • Table 1 comprises 8 columns in which from left to right the control cycle n, the value of the input signal ⁇ in the control cycle n, the digital value ⁇ n in the control cycle n, the error signal ⁇ , the integration value ⁇ in the control cycle n, the difference value ⁇ , which is output by the adder 630 in the control cycle n, the mean value of the last 1Q_ digital values ⁇ n and the control action of the control logic 670 are given before and after the decision.
  • the values of ⁇ , ⁇ and ⁇ are shown in FIG. 11a for easier illustration and in FIG.
  • the integration value ⁇ is initialized to the value 0 by the control logic 670.
  • the difference value ⁇ generated by the adder 630 results in -0.3.
  • Comparator 660 determines that this value is less than its comparison value.
  • the control logic 670 decides that the counter 680 now decrements ⁇ to the value 14 ".
  • Um is switched, the ⁇ and ⁇ change abruptly to the value 0.7. Since the fine quantization begins here, the control logic 670 now gives the inverting integrator 620
  • the integrator time constant in this example is chosen such that ⁇ changes by ⁇ after a step with the constant signal ⁇ at the input of the integrator 620.
  • step n 2
  • the integrator signal ⁇ has dropped to - 0.7 and the difference signal ⁇ has risen to 1.4.
  • Comparator 660 determines that the value of ⁇ is now greater than its comparison value.
  • the control logic 670 decides that the counter 680 ⁇ must increment to the value 15. When switching ⁇ , ⁇ and
  • the integrator signal ⁇ continues to rise up to the value 1.2. ⁇ thus drops to -1.5 and is again smaller than the comparative value of the comparator 660. ⁇ is decremented to the value 14 and ⁇ and ⁇ jump to 0.7 and -0.5, respectively.
  • is set to the value 15 incremented and the signals ⁇ and ⁇ jump to -0.3 and - 0.8, respectively.
  • the error signal ⁇ is compared with the integrator signal ⁇ at each step. ⁇ oscillates between the two nearest ⁇ values - as in the
  • Interpolated intermediate values can be determined from the ratio of the frequency of the occurrence of the digital values by averaging over several steps in a digital filter, as will be explained in more detail with reference to FIG. 9. .
  • the comparison value of the comparator 660 was zero, which can also be set to a different value. Accordingly, the initialization value of the integrator 620 can also be set to a value other than zero. It is also possible to add the error value ⁇ to the initialization value immediately upon initialization.
  • Table 1 it is pointed out in particular that the fine quantization control in discrete cycles has been described above, but that the actual digitization only takes place at the up / down counter 680, and that the integrator 620, the adder 630 and the comparator 660 represent analog components, and the integration value ⁇ and the difference value ⁇ are analog signals.
  • the values shown in Table 1 are only obtained by applying a suitable clock to the control logic and to the up / down counter.
  • the analog signal path up to the integrator 620 ensures that small disturbances which are superimposed on the input signal ⁇ are averaged by the integrator 620 and small or slow changes in the input signal are continuously taken into account by summing up all previous errors in the output signal mit.
  • control logic 670 in this example represents a simple demonstration and that the integrator 620 and the up / down counter 680 can also be controlled with more complex decision criteria and thus other sequences of digital values are generated which but also correspond on average to the input signal ⁇ .
  • This part comprises the control logic 670 and an adaptable or adaptive digital filter 690, which outputs the filtered conversion result at the output 710.
  • the adaptable digital filter 690 makes it possible to adapt the resolution and the dynamic course of the filtered conversion result ⁇ to the current travel speed.
  • the control logic 670 receives the information about the travel speed, for example, via a further input from the outside or uses the comparator signals KI, KM and KL (FIG.
  • control logic 690 dynamically controls the current filter length of the digital filter 690 or adjusts the same to the travel speed.
  • control logic 670 further information, such as resolution requirements specified by the user, e p- catches to control the adaptable digital filter 690 or its current filter length.
  • the structure of the 4-quadrant adder 610 of FIG. 6 will now be explained in more detail with reference to FIG. 10. However, it is pointed out in advance that any adder can be used in the circuit of FIG. 6 if the input signal ⁇ is already present as a single analog value.
  • the 4-quadrant adder 610 is provided in order to determine the error signal ⁇ from the current digital value und n and the signals Usin and Ucos which are in quadrature with respect to one another, for example from a measuring arrangement as shown in FIGS , be generated.
  • the 4-quadrant adder 610 comprises a sine 810 and a cosine multiplier 800 and an adder 820.
  • An input of the cosine multiplier 800 is connected to an input 805 of the 4-quadrant Adder 610 connected to receive the input signal Usin, with another input being connected to an input 807 of the 4-quadrant adder 610 to receive the current digital value _ ⁇ n .
  • the output of the cosine multiplier 800 is connected to a non-inverting input of the adder 820 in order to output the result of the multiplication of Usin and cos ( ⁇ n ).
  • An input of the sine multiplier 810 is connected to an input 815 of the 4-quadrant adder 610 to receive the input signal Ucos, and another input is connected to the input 807 of the 4-quadrant adder 610 to determine the "current" to receive digital value ⁇ n.
  • the output of the sine multiplier 810 is connected to an inverting input of the adder 820 to the result of multiplication of Ucos and sin ( ⁇ n) output.
  • the adder 820 indicates a Output 830 the error signal small ⁇ out.
  • the 4-quadrant adder can be supplemented by a correction table 840, which also receives the current digital value ⁇ n . Its output feeds the digital / analog converter 850, the output of which in turn is fed to the adder.
  • the correction table 840 can also additionally receive the carrier synchronization signal 855 required for the demodulation described below.
  • the correction table 840 generates a digital correction signal 860 from the digital value 807, which is converted into an analog signal in the digital / analog converter 850, which corrects the ⁇ signal 1 by small values. This is particularly important if the demodulation described below is to be carried out and the factors of the multipliers 800 and 810 for ⁇ n and - ⁇ n have to match. -
  • FIG. 12 showing the block diagram of the converter.
  • the converter is intended for use in the digitization of measurement signals, such as those generated by the measurement arrangements shown in FIGS. 1a-1c.
  • the converter of FIG. 12 comprises two inputs 900 and 905 for receiving the input signals Usin and Ucos which are quadrature with respect to one another and an input 910 for receiving a clock signal CLK.
  • An input 915 is also provided, to which a signal U carrier with carrier frequency is coupled.
  • the circuit further comprises an output 920, at which the filtered conversion result THETA_OUT is output, an output 925, at which the " voltage UEPSILON, which corresponds to the error signal ⁇ , and an output 927, at which the voltage UINT is applied,
  • the output of the totalizer 940 is connected to the output 925 of the converter, an input of an inverting integrator 945 and an input of three comparators 950, 955 and 960.
  • the output of the inverting integrator 945 is connected to the other input of the three comparators 950-960 and the output 927 of the converter.
  • the outputs of the comparators 950-960 are connected to three inputs of a control logic 965 in order to output signals KI, KH and L to the control logic.
  • a further input is connected to the input 910 of the converter for receiving a clock signal CLK, as well as an output with an input of the inverting integrator 945 for transmitting a reset signal RESET_INT to the same and a further output with a loop counter 970 for transmitting one Counter control signal CNT_CNTRL connected.
  • Another input of the loop counter 970 is also connected to the input 910 in order to receive the clock signal CLK.
  • the output of the loop counter 970 is connected to both a quadrant selector 975 and an input of a digital interpolation filter 980 and outputs the signal THETA_COUNT stored in the loop counter 970, which corresponds to the digital output value.
  • the digital interpolation filter 980 outputs the filtered signal THETA_OUT to the output " 920, which corresponds to the filtered digital output value.
  • Another input of the quadrant selector 975 is connected to the input 915, with a sign detector 985 being interposed therebetween for the sign of the signal Ucarrier output signal SYNCH_CMP to the quadrant selector 975.
  • the quadrant selector 975 is connected at one output to another input of the DACs 930 and 935 in order to output the signals THETA_CDAC and THETA_SDAC to the same DACs 930, the Output THETA_SDAC connected to another input of DAC 935.
  • the two multiplying nonlinear DACs 930 and 935 are also identical and implement the multiplication in two of the four quadrants of a sine or. Cosine function.
  • the resolution NDAC is necessary for THETA_SDAC and THETA_CDAC, however, the resolution NDAC + 1 is required for THETA_COUNT and therefore now depending on the sign of Ucarrier and depending on the value range of ⁇ Factors sin ( ⁇ ) and cos ( ⁇ ) or -sin ( ⁇ ) and -cos ( ⁇ ) can be set, the quadrant selector 975 THETA_SDAC and THETA_CDAC from THETA_COUNT must be determined appropriately.
  • Table 3 includes 6 columns, from left to right the THETA_COUNT, the size of the carrier, the factor desired for the DAC 930, the THETA_CDAC to be set for it, the factor desired for the DAC 935 and the THETA_SDAC to be set for it. It is assumed that the multipliers realize a factor cos ( ⁇ ) for 0 ° ⁇ ⁇ 180 °.
  • the calculation of the THETA CDAC from THETA COUNT and U carrier results from the fourth column of table 3 and the calculation of THETA_SDAC from THETA_COUNT and U carrier according to the sixth column of the table.
  • the two DACs 930 and 935 multiply the input signal Usin by +/- cos (THETA_COUNT) or the input signal Ucos by +/- sin (THETA_COUNT).
  • the signal UEPSILON is formed according to the following equation:
  • This signal is output 950-960 from the time tr from, as the integrator is reset 945 by the signal RESET__INT from the control logic 965, integrated in the inverting integrator 945 and the result of integration as the signal UINT to the Kompara factors' becomes.
  • the time dependence of the signal UINT is given by the following equation:
  • Ti represents the integration time constant of the integrator 945.
  • the comparators 950-960 compare UEPSILON with UINT.
  • the comparator 950 compares the UINT signal with the UEPSILON signal and uses the digital output signal KI to indicate whether UEPSILON is greater than UINT.
  • the comparator 950 checks whether UEPSILON is much larger than UINT and, if it does, activates the digital output signal KH.
  • the comparator 960 checks whether UEPSILON is much smaller than UINT and, if this is the case, activates the digital output signal KL.
  • the loop counter 970 can change its stored value on each active clock edge of the clock signal CLK.
  • the control logic 965 controls the state of the counter 970 and the resetting of the integrator 945 by means of the signals RESET_INT and CNT_CNTRL after the next clock cycle as a function of the signals KI, KH and KL.
  • control logic 965 controls loop counter 970 such that if a) the signal KI is active, the loop counter 970 increments or otherwise decrements the stored loop counter value THETA_COUNT, as a result of which the signal THETA_COUNT assumes a sequence of values which correspond on average to the input signal.
  • the loop counter 970 subtracts or counts a certain number of counter values from the stored value THETA_COUNT, so that THETA_COUNT is tracked to the fine quantization range.
  • control logic activates the RESET_INT signal since the integration is not required. This makes the loop for tracking THETA_COUNT faster.
  • the integrator 945 Resetting the integrator 945 for large error signals UEPSILON, which occur when ⁇ changes rapidly, ensures that it is not overdriven and goes into saturation. In this case, the integrator 945 is immediately available again for interpolation as soon as the signal THETA_COUNT is again in the correct range or the fine quantization range.
  • the signal THETA_COUNT contains the information about the input signal coded with the highest possible sampling rate of the system.

Abstract

A method for converting an analog input signal (α) into a sequence of digital output values (θn) uses the formation of a first differential value (ϵ) between the current output value and the analog input signal (α). The method also provides for a check to determine whether the amount of the first differential value (ϵ) exceeds a predetermined amount (S). Should the amount of the first differential value (ϵ) exceed the predetermined amount, the method provides that the digital output value (θn) is re-adjusted using a certain adjustment value. Should the amount of the first differential value (ϵ) not exceed the predetermined amount, the method provides that a second differential value (δ) between the first difference (ϵ) and an integral value (Σ) consisting of the sum of first differential values (ϵ) occurring since the checking stage showed throughout that the amount of the first differential value (ϵ) does not exceed the predetermined amount is formed; and that the second differential value (δ) is compared with a predetermined threshold value and the digital output value (qn) is incremented or decremented according to the result of this comparison.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln eines analogen Eingangssignals in eine Sequenz von digitalen Ausgangswerten Method and device for converting an analog input signal into a sequence of digital output values
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung eines analogen Eingangssignals in digitale Ausgangswerte und insbesondere auf die Analog-/Digital-Umwandlung von Positions- sensorsignalen beim Positionieren von Werkzeugmaschinen.The present invention relates to the conversion of an analog input signal into digital output values and in particular to the analog / digital conversion of position sensor signals when positioning machine tools.
Zur Messung eines Weges oder eines Drehwinkels α bei mechanischen Anordnungen oder Maschinen werden Lineardifferentialtransformatoren (LVDT = Linear Variable Differential Transfor- er) oder Drehdifferentialtransformatoren (RVDT = Rotational Variable Differential Transformer) , die Encoder oder Resolver genannt werden, oder eine spezielle Anordnung magnetoresisti- ver Widerstände oder Hallsensoren verwendet. Diese Sensoren liefern zwei Ausgangssignale, die in Abhängigkeit der mechani- sehen Position variieren, so daß aus den Signalen die Position bestimmbar ist.Linear differential transformers (LVDT = Linear Variable Differential Transformer) or rotary differential transformers (RVDT = Rotational Variable Differential Transformer), which are called encoders or resolvers, or a special arrangement magnetoresistive, are used to measure a path or a rotation angle α in mechanical arrangements or machines Resistors or Hall sensors are used. These sensors deliver two output signals that vary depending on the mechanical position, so that the position can be determined from the signals.
Figur la und Figur lc zeigen beispielsweise zwei verschiedene Anordnungen zur Messung der linearen Position, während Figur lb eine Anordnung zur Messung eines Drehwinkels zeigt.Figure la and Figure lc show, for example, two different arrangements for measuring the linear position, while Figure lb shows an arrangement for measuring an angle of rotation.
Die Figur la zeigt eine Erregerspule 10 und zwei Meßspulen 20 und 30 und einen Meßgegenstand 40 mit geeigneten Materialeigenschaften, wie zum Beispiel einer geeigneten magnetischen Suszeptibilität, der zwischen der Erregerspule 10 auf der einen Seite und den Meßspulen 20 und 30 auf der anderen Seite angeordnet ist, und entlang einer Achse 50 linear bewegbar ist. Die Anordnung ist derart gestaltet, daß eine lineare Ver- Schiebung des Meßgegenstands 40 oder der Erregerspule 10 eine Änderung der Kopplungsverhältnisse zwischen der Erregerspule 10 und der Meßspule 20 sowie zwischen der Erregerspule 10 und der Meßspule 30 bewirkt. Eine Erregungsspannung an der Erregerspule 10 bewirkt deshalb Signale an den Meßspulen 20 und 30, die in Quadratur zueinander stehen. Die Position des Meßgegenstands 40 ist als ein Winkel α definierbar, der das Verhältnis zwischen den beiden Meßsignalen bestimmt, wie es im Folgendem erläutert werden wird.Figure la shows an excitation coil 10 and two measuring coils 20 and 30 and a measurement object 40 with suitable material properties, such as a suitable magnetic susceptibility, which is arranged between the excitation coil 10 on one side and the measuring coils 20 and 30 on the other side , and is linearly movable along an axis 50. The arrangement is designed in such a way that a linear displacement Movement of the measurement object 40 or the excitation coil 10 causes a change in the coupling ratios between the excitation coil 10 and the measuring coil 20 and between the excitation coil 10 and the measuring coil 30. An excitation voltage on the excitation coil 10 therefore causes signals on the measuring coils 20 and 30 which are in quadrature with one another. The position of the measurement object 40 can be defined as an angle α, which determines the relationship between the two measurement signals, as will be explained in the following.
Die in Figur lb gezeigte Anordnung entspricht der in Figur la gezeigten Anordnung bis auf den Meßgegenstand 40. In diesem Fall ist der Meßgegenstand durch einen drehbaren Körper 50 gebildet. Durch Drehen des Körpers 50 ändert sich wie bei der Anordnung in Figur la das Verhältnis zwischen den in den Meßspulen 20 und 30 erfaßten Meßsignalen in Abhängigkeit von dem Drehwinkel α, wodurch der Drehwinkel α bestimmt werden kann.The arrangement shown in FIG. 1b corresponds to the arrangement shown in FIG. 1a except for the measurement object 40. In this case, the measurement object is formed by a rotatable body 50. By rotating the body 50, as in the arrangement in FIG. 1 a, the ratio between the measurement signals detected in the measuring coils 20 and 30 changes as a function of the angle of rotation α, as a result of which the angle of rotation α can be determined.
Die Figur lc zeigt eine zu Fig. la alternative Anordnung mit magnetoresistiven Sensoren 60 und 70, wobei als linear verschiebbarer Meßgegenstand ein magnetischer Maßstab 80 dient. Der magnetische Maßstab 80 weist zwei geeignet ausgerichtete magnetische Bereiche auf, die jeweils entgegengesetzte Magnet- felder am Ört der magnetoresistiven Sensoren 60 und 70 erzeugen, wobei diese Bereiche in Figur lc durch vier in abwechselnder Richtung ausgerichtete Stabmagnete 80a, 80b, 80c und 80d dargestellt sind. Durch Verschieben des Maßstabs 80 entlang einer Achse 90 ändert sich das magnetische Feld am Ort der magnetoresistiven Sensoren 60 und 70 und somit der elektrische Widerstand derart, daß an den Sensoren 60 und 70 Signale gemessen werden, die in Quadratur zueinander stehen. Folglich zeichnet sich die Variation dieser Signale dadurch aus, daß dieselben im wesentlichen in Quadratur zueinander stehen. Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Wert α einerseits und den Meßsignalen an der Meßspule 20 bzw. dem magnetoresistiven Sensor 60 (Usin) und an der Meßspule 30 bzw. dem magnetoresistiven Sensor 70 (Ucos) andererseits in Abhängigkeit von einer Erregungsspannung U0. Aus Figur zwei ergeben sich folgende Zusammenhänge zwischen der Erregungsspannung U0, dem Meßwert , wie z.B. dem Drehwinkel, und den Meßsignalen Usin und Ucos:FIG. 1c shows an alternative arrangement to FIG. La with magnetoresistive sensors 60 and 70, a magnetic scale 80 serving as the linearly displaceable measurement object. The magnetic scale 80 has two suitably aligned magnetic areas, each of which generates opposite magnetic fields at the location of the magnetoresistive sensors 60 and 70, these areas being represented in FIG. 1c by four bar magnets 80a, 80b, 80c and 80d oriented in alternating directions , Moving the scale 80 along an axis 90 changes the magnetic field at the location of the magnetoresistive sensors 60 and 70 and thus the electrical resistance such that signals are measured at the sensors 60 and 70 which are in quadrature with one another. Consequently, the variation of these signals is characterized in that they are essentially quadrature with one another. 2 shows the relationship between the value α on the one hand and the measurement signals on the measuring coil 20 or the magnetoresistive sensor 60 (Usin) and on the measuring coil 30 or the magnetoresistive sensor 70 (Ucos) on the other hand as a function of an excitation voltage U 0 . The following relationships between the excitation voltage U 0 , the measured value, such as the angle of rotation, and the measurement signals Usin and Ucos result from FIG.
Usin = U0 sin(α)Usin = U 0 sin (α)
Ucos = Uo cos (α)Ucos = Uo cos (α)
Hierbei kann U0 eine beliebige Gleich- oder Wechselspannung sein und die allgemeine Form vonHere U 0 can be any DC or AC voltage and the general form of
U0 = ∑ Ui cos ( ωt-i + ψi) i=0U 0 = ∑ Ui cos (ωt-i + ψi) i = 0
aufweisen, wobei Ui Amplituden, ψi die zugehörigen Phasen zum Zeitpunkt t=0 und ω die Trägerfrequenz sind.have, where Ui amplitudes, ψi the associated phases at time t = 0 and ω are the carrier frequency.
Da fast alle Steuerungen und Regelungen mechanischer Systeme in zunehmendem Maße digital realisiert sind, müssen die analogen Ausgangssignale der Sensoren vor ihrer Verarbeitung zur Ansteuerung der Maschinen digitalisiert werden. Zur Ermittlung einer digitalen Äquivalenz der Position Θ = o-dig muß das Verhältnis von Usin zu Ucos ausgewertet werden, wobei im allge- meinen folgender Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel α und den Meßsignalen Usin und Ucos gilt:Since almost all controls and regulations of mechanical systems are increasingly digitally implemented, the analog output signals of the sensors must be digitized before they can be processed to control the machines. To determine a digital equivalence of the position Θ = o-di g , the ratio of Usin to Ucos must be evaluated, whereby in general My following relationship between the angle of rotation α and the measurement signals Usin and Ucos applies:
U sin a = arctanU sin a = arctan
UcosUcos
Eine Auswertung der Meßsignale muß folglich unabhängig von der Variation von U0 sein. Nach dem Stand der Technik sind mehrere Verfahren zur Digitalisierung des Meßwertes α bekannt. Bei den Systemen mit getrennter Digitalisierung werden beide Meßspan- nungen Ucos und Usin getrennt digitalisiert, und der digitale Ausgangswert αdig anschließend digital berechnet.An evaluation of the measurement signals must therefore be independent of the variation in U 0 . Several methods for digitizing the measured value α are known from the prior art. In the systems with separate digitization, both measuring voltages Ucos and Usin are digitized separately, and the digital output value αdig is then digitally calculated.
Fig. 3 zeigt das Blockdiagramm einer Vorrichtung mit getrennter Digitalisierung. An zwei Kanaleingängen 100 und 110 werden jeweils das Eingangssignal Usin und Ucos eingespeist. Beide Eingänge 100 und 110 sind mit in Reihe geschalteten Tiefpaßfiltern 120 bzw. 130 und Analog/Digital-Wandlern 140 bzw. 150, die in Reihe geschaltet sind, verbunden. Die Tiefpaßfilter 120 und 130 sind den Analog-Digital-Wandlern 140 und 150 vorge- schaltet, um das Nyquist-Kriterium bei der Abtastung innerhalb der Wandler _140 und 150 einzuhalten. Die Demodulation der so erzeugten digitalisierten Signale wird mittels einer Multiplikation 160 bzw. 170 mit einem bei einem Eingang 180 einge- speisten Trägerfrequenzsignal vorgenommen. Die Berechnung von Θ durch Berechnung des Arcustangens wird bei einem Rechnerblock 190 digital vorgenommen. Die Tiefpaßfilter 120 und 130 und die Analog-Digital-Wandler 140 und 150 müssen folglich für eine Verarbeitung von Signalen mit einer Trägerfrequenz ausgelegt sein, was einen erhöhten Aufwand bedeutet. Ein digitales Filter 200 ist hinter den Block 190 geschaltet, um eine Störunterdrückung zu bewirken. Alle Elemente der in Fig. 3 gezeigten Schaltung sind in einen Baustein monolithisch oder hybrid integriert. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Auflösung und die Umsetzdauer nicht dynamisch eingestellt werden können. In dem Fall, daß dem Eingangssignal ein Rauschsignal überlagert ist, daß größer als das niedrigstwertige Bit ist, so kann in dem digitalen Filter durch Mittelung über 22Nl-Werte eine Erhöhung der Auflösung um Ni-Bits erreicht werden. Dies wird als Dithe- ring bezeichnet und ergibt eine Erhöhung der Auflösung propor- tional zur Wurzel der gemittelten Zeitdauer. Die theoretischphysikalische Grenze für die Meßgenauigkeit ist durch ein konstantes Produkt aus Auflösung und Mittelungszeit gekennzeichnet und liegt vor allem bei höheren Auflösungen, weit von den Ergebnissen dieses Verfahrens weg.Fig. 3 shows the block diagram of a device with separate digitization. The input signals Usin and Ucos are fed in at two channel inputs 100 and 110, respectively. Both inputs 100 and 110 are connected to series-connected low-pass filters 120 and 130 and analog / digital converters 140 and 150, which are connected in series. The low-pass filters 120 and 130 are connected upstream of the analog-digital converters 140 and 150 in order to comply with the Nyquist criterion when scanning within the converters _140 and 150. The demodulation of the digitized signals generated in this way is carried out by means of a multiplication 160 or 170 with a carrier frequency signal fed in at an input 180. The calculation of Θ by calculating the arctangent is done digitally in a computer block 190. The low-pass filters 120 and 130 and the analog-digital converters 140 and 150 must consequently be designed for processing signals with a carrier frequency, which means an increased outlay. A digital filter 200 is connected behind block 190 to effect interference suppression. All elements of the circuit shown in Fig. 3 are integrated monolithically or hybrid in a module. A disadvantage of this method is that the resolution and the conversion time cannot be set dynamically. In the event that a noise signal is superimposed on the input signal that is larger than the least significant bit, the resolution can be increased by Ni bits in the digital filter by averaging over 2 2Nl values. This is called dithering and results in an increase in the resolution proportional to the root of the averaged time period. The theoretical physical limit for measuring accuracy is characterized by a constant product of resolution and averaging time and is above all at higher resolutions, far from the results of this method.
Weitere im Stand der Technik bekannte Verfahren werten die Meßsignale nach einem Nachlaufverfahren mit Zähler und verschiedenen Arten der Rückkopplung aus. Umsetzer dieses Art werden beispielsweise bei den Baugruppen der Firma Data Device Cooperation (DDC) mit der Geschäftsadresse 105 Bill Ba Place, Bohemia, New York 11716 - 2482, der Firma Analog Devices INC. mit der Geschäftsadresse one signality Way, poBox. 9196, Nor- worth MA 02Ö62 - 9196, der Firma NAI und der Firma iC-House eingesetzt.Other methods known in the art evaluate the measurement signals according to a tracking method with a counter and various types of feedback. Implementers of this type are used, for example, in the assemblies of the company Data Device Cooperation (DDC) with the business address 105 Bill Ba Place, Bohemia, New York 11716-2482, from the company Analog Devices INC. with the business address one signality way, poBox. 9196, Northwest MA 02Ö62 - 9196, the company NAI and the company iC-House.
Das Nachlaufverfahren beruht auf der Nachführung des digitalen Wertes Θ mit Hilfe einer Regelschleife. Das benötigte, rückgekoppelte Fehlersignal wird durch nichtlineare analoge Schaltungen berechnet .The tracking process is based on the tracking of the digital value Θ with the help of a control loop. The feedback error signal required is calculated by non-linear analog circuits.
Figur 4 zeigt einen herkömmlichen Umsetzer nach dem Nachlaufverfahren, der von der Firma iC-House produziert wird, mit einem Sinus/Digital-Wandler . Der Umsetzer von Fig. 4 umfaßt zwei Eingänge 200 und 210 an denen die demodulierten Signale A x sin( ) und A x cos (α) anliegen. Die beiden Eingänge 200 und 210 sind direkt und über einen Invertierer 220 bzw. 230 mit jeweils zwei Eingängen einer Schalteinrichtung 240 verbunden. Die Schalteinrichtung 240 empfängt an einem Eingang 245 Segmentsteuerungsinformationen, die im folgendem erklärt werden, und leitet entsprechend dieser Informationen entweder das nichtinvertierte oder inver- tierte Eingangssignal des Eingangs 200 an den nicht invertierenden Eingang eines Komparators 250 bzw. entweder das nichtinvertierte oder invertierte Eingangssignal des Eingangs 210 an einen Multiplizierer 260 weiter. Der Ausgang des Multiplizierers 260 ist mit dem invertierenden Eingang des Komparators 250 verbunden. Der Ausgang des Komparators 250 ist mit einem Auf/Ab-Zähler 270 verbunden, der über drei Eingänge 280, 290 und 295 Informationen bezüglich der zu erzielenden Auflösung bzw. Signale zur Steuerung von Hystereseeffekten und ein Taktsignals erhält. Der Ausgang des Auf/Ab-Zählers 270 ist mit dem Umsetzerausgang 300 und in einer Rückkopplungsschleife mit dem Eingang eines Digital/Analog-Umsetzers 310 verbunden. Der Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers 310 ist mit einem Eingang einer Berechnungseinrichtung 320 zur Berechnung des Tangens oder des Cotangens verbunden, wobei die Wahl der der Berech- nung zu Grunde liegenden Funktion über einen Eingang 330 durch die Segmentsteuerungsinformationen gesteuert wird. Der Ausgang der Berechnungseinrichtung 320 ist mit einem weiterem Eingang des Multiplizierers 260 verbunden.FIG. 4 shows a conventional converter using the post-processing method, which is produced by iC-House, with a sine / digital converter. 4 comprises two inputs 200 and 210 to which the demodulated signals A x sin () and A x cos (α) are applied. The two inputs 200 and 210 are directly connected to two inputs of a switching device 240 via an inverter 220 and 230, respectively. The switching device 240 receives segment control information at an input 245, which will be explained in the following, and in accordance with this information either routes the non-inverted or inverted input signal of the input 200 to the non-inverting input of a comparator 250 or either the non-inverted or inverted input signal of the input 210 to a multiplier 260. The output of multiplier 260 is connected to the inverting input of comparator 250. The output of the comparator 250 is connected to an up / down counter 270, which receives information about the resolution to be achieved or signals for controlling hysteresis effects and a clock signal via three inputs 280, 290 and 295. The output of the up / down counter 270 is connected to the converter output 300 and in a feedback loop to the input of a digital / analog converter 310. The output of the digital / analog converter 310 is connected to an input of a calculation device 320 for calculating the tangent or the cotangent, the selection of the function on which the calculation is based being controlled via an input 330 by the segment control information. The output of the calculation device 320 is connected to a further input of the multiplier 260.
Im folgendem wird nun die Funktionsweise des Umsetzers von Figur vier beschrieben. Das digitale Umsetzergebnis bzw. der aktuelle Ausgangswert Θ ist in dem Auf/Ab-Zähler 270 gespeichert und wird über den Digital/Analog-Umsetzer 310 in eine analoge Spannung umgewandelt. Diese wird mit einem der zwei Ausgangssignale der Schalteinrichtung 240 multipliziert, wobei das Produkt von dem Komparator 250 mit dem analogen Ausgangssignal verglichen wird. Der Ausgang des Komparators 250 führt auf den Richtungseingang des Zählers 270. Die Zählrichtung bei jedem Taktsignal 295 wird von dem Zähler solange beibehalten, bis die dem Ausgangswert proportionale Ausgangsspannung des Digital/Analog-Umsetzers 310 dem Wert α der Eingangsspannungen entspricht.The mode of operation of the converter of FIG. Four will now be described. The digital conversion result or the current output value Θ is stored in the up / down counter 270 and is converted into an analog via the digital / analog converter 310 Voltage converted. This is multiplied by one of the two output signals of the switching device 240, the product being compared by the comparator 250 with the analog output signal. The output of the comparator 250 leads to the direction input of the counter 270. The counting direction for each clock signal 295 is maintained by the counter until the output voltage of the digital / analog converter 310 proportional to the output value corresponds to the value α of the input voltages.
Im Gegensatz zu gewöhnlichen Analog/Digital-Wandlern ist bei dem Sinus/Digital-Wandler der Ausgangswert nicht proportional zur Eingangsspannung, sondern zu dessen Phase α. Die Phase steht an den Eingängen 200 und 210 in der Form von A x sin(α) und A x cos (α) zur Verfügung. Von dem Ausgangswert Θ wird in der Rückführung entlang der Rückkopplungsschleife die Tangensfunktion gebildet, und das Ergebnis mit cos (α) multipliziert. Das Endergebnis wird mit sin(α) verglichen. Als Vorschrift für die Regelung erhält man folglich folgenden Zusammenhang:In contrast to conventional analog / digital converters, the output value of the sine / digital converter is not proportional to the input voltage, but rather to its phase α. The phase is available at inputs 200 and 210 in the form of A x sin (α) and A x cos (α). The tangent function is formed from the initial value Θ in the feedback along the feedback loop, and the result is multiplied by cos (α). The end result is compared to sin (α). The following relationship is therefore obtained as a regulation for the regulation:
A sin(α) = A cos ( ) tan(Θ)A sin (α) = A cos () tan (Θ)
Da die Tangensfunktion Polstellen aufweist und nicht über eine volle Periode gebildet werden kann, wird eine Periode in acht Segmente unterteilt. Für bestimmte Segmente werden die Eingangssignale an den Eingängen 200 und 210 durch die SegmentSteuerung vertauscht, und in der Rückkopplung anstatt der Tangensfunktion die Cotangensfunktion gebildet. Der Sinus- Digital-Wandler läuft automatisch auf dem kürzestem Weg in das Segment und hat somit bei statischem Eingangssignal nach maximal n/2 Taktzyklen seinen Arbeitspunkt erreicht, wobei n der Auflösung entspricht. Die Demodulation von eventuell geträger- ten Signalen kann bei dem Umsetzer durch trägersynchrone Umsteuerung der Segmentsteuerung realisiert werden.Since the tangent function has pole positions and cannot be formed over a full period, a period is divided into eight segments. For certain segments, the input signals at inputs 200 and 210 are exchanged by the segment control, and the cotangent function is formed in the feedback instead of the tangent function. The sine-digital converter runs automatically on the shortest path into the segment and has therefore reached its operating point after a maximum of n / 2 clock cycles with a static input signal, where n corresponds to the resolution. The demodulation of possibly With the converter, th signals can be implemented by carrier-synchronous reversal of the segment control.
Ein Nachteil des im vorhergehendem beschriebenen Umsetzers be- steht darin, daß die Auflösung intern durch die Anzahl der Zählschritte festgelegt ist und nicht dynamisch verändert werden kann. Zudem kommt der in Fig. 4 gezeigte Umsetzer nie zur Ruhe, da der Zähler auch bei einem konstanten Eingangssignal ständig das niedrigstwertige Bit des Ausgangswerts auf oder ab zählt, was durch eine Hysteresesteuerung verhindert werden muß. Hierzu wird beiderseitig zum Zählerwert ein Bereich aufgespannt und innerhalb von zwei Taktperioden geprüft, ob das Eingangssignal noch innerhalb dieses Bereiches liegt. Die Ausgangsfrequenz beträgt folglich lediglich die Hälfte der Takt- frequenz, und es ist eine zusätzliche Schaltung notwendig, um das Schwanken des Ausgangswertes bei ansonsten konstantem Eingangssignal zu verhindern.A disadvantage of the converter described above is that the resolution is determined internally by the number of counting steps and cannot be changed dynamically. In addition, the converter shown in FIG. 4 never comes to rest, since the counter continuously counts up or down the least significant bit of the output value even with a constant input signal, which must be prevented by hysteresis control. For this purpose, an area is spanned on both sides of the counter value and checked within two clock periods whether the input signal is still within this area. The output frequency is consequently only half of the clock frequency, and an additional circuit is necessary to prevent the output value from fluctuating with an otherwise constant input signal.
In Fig. 5 ist das Blockschaltbild eines weiteren herkömmlichen Umsetzers nach dem Nachführverfahren gezeigt. Dieser ratiometrische Umsetzer wird beispielsweise in den Bausteinen der RDC- 19200-Serie der Firma DDC oder AD2S44 der Firma ANALOG DEVICES verwendet. Wie Fig. 5 zeigt, umfaßt dieser Umsetzer zwei Eingänge 400 und 410, an denen die Eingangssignale Usin und Ucos anliegen. Die beiden Eingänge 400 und 410 sind mit einer Vorrichtung 420 zur sin/cos-Multiplikation und Addition verbunden. Die Vorrichtung 420 gibt einen Wechselsignalfehler ε an einen Ausgang 430 und an einen Eingang eines phasensensitiven Demodulators (PSD) 440 aus. Der PSD empfängt ferner über einen Eingang 450 ein Signal mit der Trägerfrequenz. Der PSD 440 gibt an einen Ausgang 460 und an den Eingang eines Integrators 470 einen Gleichsignalfehler E aus. Der Integrator gibt an einen Ausgang 480 und an einen Eingang eines VCOs 490 ein integ- riertes Fehlersignal aus. Der VCO 490 gibt über zwei Leitungen 500 und 510 Taktsignale clk und Richtungsinformationen dir an einen Zähler 520 aus. Der Zähler 520 ist mit dem digitalen Ausgang 530 des Umsetzers und mit einem weiterem Eingang der Vorrichtung 420 verbunden.5 shows the block diagram of a further conventional converter according to the tracking method. This ratiometric converter is used, for example, in the modules of the RDC 19200 series from DDC or AD2S44 from ANALOG DEVICES. 5 shows, this converter comprises two inputs 400 and 410, at which the input signals Usin and Ucos are present. The two inputs 400 and 410 are connected to a device 420 for sin / cos multiplication and addition. Device 420 outputs an alternating signal error ε to an output 430 and to an input of a phase-sensitive demodulator (PSD) 440. The PSD also receives a signal at the carrier frequency via an input 450. The PSD 440 outputs a DC signal error E at an output 460 and at the input of an integrator 470. The integrator gives an integrated 480 and an input of a VCO 490 an error signal. The VCO 490 outputs clock signals clk and direction information to a counter 520 via two lines 500 and 510. The counter 520 is connected to the digital output 530 of the converter and to a further input of the device 420.
Im folgendem wird nun die Funktionsweise des Umsetzers von Fig. 5 erklärt. Zunächst werden die Eingangssignale an denThe operation of the converter of Fig. 5 will now be explained. First, the input signals to the
Eingängen 400 und 410 durch die Vorrichtung 420 mit sin(Θ) und cos (Θ) multipliziert, und die Ergebnisse danach voneinander abgezogen. Nach der Demodulation durch den PSD 440 ergibt sich ein Fehlersignal E, das für kleine Abweichungen von (α-Θ) proportional zu (α-Θ) ist.Inputs 400 and 410 are multiplied by device 420 by sin (Θ) and cos (Θ), and the results are then subtracted from one another. After demodulation by the PSD 440, an error signal E results which is proportional to (α-Θ) for small deviations from (α-Θ).
E = sin(α) cos (Θ) - cos (α) sin(Θ) = sin (α-Θ) « α-ΘE = sin (α) cos (Θ) - cos (α) sin (Θ) = sin (α-Θ) «α-Θ
Dieses Signal E wird mindestens einmal integriert, wodurch ein Signal V (Velocity; Velocity = Geschwindigkeit) erhalten wird, das proportional zur Geschwindigkeit sein soll. Der VCO steu- ert je nach Größe und Vorzeichen von V den Zähler in entsprechender Geschwindigkeit vorwärts oder rückwärts. Durch den Einsatz des -Integrators ist es das Umsetzverfahren störunterdrückend. Typischerweise sind die Blöcke alle in einen Hybridbaustein oder eine IC (IC= Integrated Circuit = integrierte Schaltung) integriert, wobei allerdings Verbindungen 540 und 550 zu den Ausgängen 560 und 580 außerhalb des Bausteins angeordnet sein müssen, damit auf die Regeleigenschaften Einfluß genommen werden kann.This signal E is integrated at least once, as a result of which a signal V (velocity) is obtained which is supposed to be proportional to the speed. Depending on the size and sign of V, the VCO controls the counter at the appropriate speed, forwards or backwards. By using the integrator, the conversion process suppresses interference. Typically, the blocks are all integrated into a hybrid module or an IC (IC = Integrated Circuit), although connections 540 and 550 to the outputs 560 and 580 must be arranged outside the module so that the control properties can be influenced.
Ein Nachteil der in Fig. 5 gezeigten Schaltung besteht darin, daß ihr Verhalten wesentlich vom äußeren Aufbau und der Be- schaltung abhängt. Zudem ist die Auflösung intern durch die Breite des Zählerwortes festgelegt und kann somit während des Betriebs nicht dynamisch verändert werden. Prinzipiell wäre zwar eine Anpassung der Auflösung durch ein variables nachfolgendes Filter möglich. Aus Gründen der Stabilität ist aber die Integrationsdauer des analogen Integrators in der praktischen Anwendung größer als die Mittelungsdauer der digitalen Filter. Eine Verkürzung der digitalen Integrationsdauer führt bei reduzierter Auflösung folglich nicht zu einer höheren Dynamik.A disadvantage of the circuit shown in FIG. 5 is that its behavior essentially depends on the external structure and the circuitry. In addition, the resolution is determined internally by the width of the counter word and can therefore be used during the Operating cannot be changed dynamically. In principle, it would be possible to adapt the resolution by means of a variable subsequent filter. For reasons of stability, however, the integration time of the analog integrator in practical use is longer than the averaging time of the digital filter. A shortening of the digital integration time does not lead to a higher dynamic with reduced resolution.
Die WO 93/22622 beschreibt einen interpolierenden Umsetzer, der in dem Baustein AD598 der Firma ANALOG DEVICES verwendet wird. Dieser Umsetzer wandelt LVDT-Signale in PWM-codierte Digitalsignale um. Anstatt der Arctan (x) -Bildung wird nur eine Quotientenbildung durchgeführt. Dies geschieht über die lineare Multiplikation der Eingangssignale mit dem PWM-Signal. Im Prinzip handelt es sich bei diesem Umsetzer um einen Single- Bit-Sigma-Delta-Umsetzer mit spezieller Single-Bit- Rückkopplung auf die zwei Eingangssignale. Dieser Umsetzer kann aber Resolversignale nur annähernd auswerten, da die Sinusförmigkeit der Modulation nicht berücksichtigt wird.WO 93/22622 describes an interpolating converter which is used in module AD598 from ANALOG DEVICES. This converter converts LVDT signals into PWM-encoded digital signals. Instead of arctan (x) formation, only a quotient formation is carried out. This is done by linearly multiplying the input signals by the PWM signal. In principle, this converter is a single-bit sigma-delta converter with special single-bit feedback on the two input signals. However, this converter can only approximately evaluate resolver signals, since the sinusoidal shape of the modulation is not taken into account.
Bei denen im vorhergehenden beschriebenen, in dem Stand der Technik bekannten Umsetzerverfahren ergeben sich die folgenden Probleme: -! The following problems arise with the converter methods described above and known in the prior art: - !
Die Antriebe moderner Werkzeugmaschinen werden immer schneller und sollen dabei immer genauer positionieren. Um die dabei auftretenden immer größeren Drehzahlen (bei Resolvern) oder höheren Lineargeschwindigkeiten bei fester Auflösung verarbeiten zu können, muß die Trägerfrequenz und die Eingangsband- breite der Auswerteschaltungen immer höher werden. Dies erfordert eine immer schneller werdende Regelung bei dem Nachlaufverfahren bzw. immer höhere Abtastraten der Analog/Digital- Wandler bei der getrennten Digitalisierung, was wiederum hohe Anforderungen an die nachfolgende Steuerelektronik stellt, die die vielen, schnell generierten Positionsinformationen nur unter hohem Aufwand weiter verarbeiten kann.The drives of modern machine tools are getting faster and faster and should position themselves more and more precisely. In order to be able to process the ever increasing speeds (in the case of resolvers) or higher linear speeds with fixed resolution, the carrier frequency and the input bandwidth of the evaluation circuits must become ever higher. This requires an ever faster regulation in the post-processing method or ever higher sampling rates of the analog / digital converter in the separate digitization, which in turn is high It places demands on the subsequent control electronics, which can only process the many, quickly generated position information with great effort.
Bei hoher Bandbreite der Schleifensteuerung eines Nachlaufumsetzers, kann das Regelsystem auch leicht instabil werden. Speziell mehrfachintegrierende Systeme, die sich durch kleine statische Regelabweichungen auszeichnen, sind in dieser Hinsicht anfällig. Dies wirkt sich auch auf den Benutzer der Schaltung aus, da es schwierig wird, den Umsetzerbaustein in ein funktionierendes System zu integrieren. Zudem wird die Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen von anderen Baugruppen größer.If the loop control of a follower converter is high, the control system can also become slightly unstable. Multi-integrating systems, which are characterized by small static control deviations, are particularly susceptible in this regard. This also affects the user of the circuit, since it becomes difficult to integrate the converter module in a functioning system. In addition, the susceptibility to electromagnetic interference from other assemblies increases.
Obwohl es folglich wünschenswert wäre, das gesamte Umsetzersystem monolithisch zu integrieren, ist bei den herkömmlichen Verfahren der Aufwand hierzu entweder sehr hoch oder gar unmöglich.Therefore, although it would be desirable to monolithically integrate the entire converter system, the effort involved in the conventional methods is either very high or even impossible.
Bei den ratiometrischen Verfahren steht der Integration beispielsweise der Offset des Integrators, des PSD und des VCOs, die zu Verzerrungen oder zu einem instabilen Verhalten führen können, entgegen. Zudem weisen die Zeitkonstanten des VCOs eine hohe Streuung auf, und das PSD bewirkt Störeinkopplungen und Verzerrungen. Ferner nachteilhaft ist, daß die Auflösung von den verwendeten Multiplizierern bzw. den multiplizierenden DACs abhängt und kaum dynamisch zu Gunsten der Geschwindigkeit reduzierbar ist. Außerdem zählt der Zähler immer plus oder minus einen Schritt der Maximalauflösung und legt somit die ma- ximale Geschwindigkeit da/dt fest, wodurch folglich meistens die maximale Umsetzgeschwindigkeit des multiplizierenden DACs nicht voll ausgenutzt werden kann. Bei dem vorhergehenden erwähnten Verfahren der getrennten Digitalisierung ergibt sich bei der Integration das Problem, daß der Chipflächenbedarf für "lange" Digitalfilter und die genaue Arctan (x) -Berechnung groß ist. Zudem ist es nachteilhaft, daß die Auflösung von der Auflösung der ADCs abhängt und meist fest ist.With ratiometric methods, integration is opposed, for example, to the offset of the integrator, the PSD and the VCO, which can lead to distortion or unstable behavior. In addition, the time constants of the VCO show a high degree of variation, and the PSD causes interference coupling and distortion. Another disadvantage is that the resolution depends on the multipliers used or the multiplying DACs and can hardly be reduced dynamically in favor of the speed. In addition, the counter always counts plus or minus one step of the maximum resolution and thus specifies the maximum speed da / dt, which means that the maximum conversion speed of the multiplying DAC cannot usually be fully utilized. In the case of the previously mentioned method of separate digitization, the integration arises with the problem that the chip area requirement for "long" digital filters and the exact arctan (x) calculation is large. It is also disadvantageous that the resolution depends on the resolution of the ADCs and is usually fixed.
Die EP0158841 AI beschreibt einen Analog-Digital-Wandler, bei dem ein erster Diskri inator die Eingangsspannung mit der Aus- gangsspannung eines einem digitalen Integrator nachgeschalteten Digital-Analog-Wandlers vergleicht und ein Vorwärts- oder Rückwärtszählen des digitalen Integrators um ein niedrigstwertiges Bit bewirkt, falls die Eingangsspannung um mehr als etwa die Hälfte der einem niedrigstwertigen Bit entsprechenden Spannung tiefer oder höher liegt. Zur Verbesserung der Nachführung sind zusätzlich Fensterdisktriminatoren vorgesehen, die eine schnellere Ausgangssignalrückführung bei raschen Schwankungen der EingangsSpannung ermöglichen.EP0158841 AI describes an analog-to-digital converter in which a first discriminator compares the input voltage with the output voltage of a digital-to-analog converter connected downstream of a digital integrator and causes the digital integrator to count up or down by a least significant bit, if the input voltage is lower or higher by more than about half the voltage corresponding to a least significant bit. To improve the tracking, additional window discriminators are provided, which enable faster output signal feedback with rapid fluctuations in the input voltage.
Die DE 19540106 C2 beschreibt eine Steuereinheit für einen E- lektromotor mit einem Positionssensor mit analogem Ausgangssignal. Dem Positionssensor ist ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet, dem wiederum eine Rechenschaltung zur Ermittlung von Positionswerten nachgeschaltet ist. Es ist eine Kor- rekturSchal ung vorgesehen, um die Zeitverzögerung bei der Berechnung des Postitions-wertes zu korrigieren.DE 19540106 C2 describes a control unit for an electric motor with a position sensor with an analog output signal. An analog-digital converter is connected downstream of the position sensor, which in turn is followed by a computing circuit for determining position values. A correction formwork is provided in order to correct the time delay in the calculation of the position value.
Die EP 0169535 A2 beschreibt einen Analog/Digital-Wandler, bei dem eine durch einen eingebauten D/A-Wandler erzeugte Spannung nacheinander von einem analogen Eingangssignal abgezogen wird, und der digitale Code des eingebauten D/A-Wandlers als das digitale Ausgangssignal hergeleitet wird, wenn zwischen der Spannung, die durch den D/A-Wandler erzeugt wird, und dem ana- logen Eingangssignal durch einen Komparator eine Übereinstimmung festgestellt wird. Das Ausgangssignal des Komparators wird rückgekoppelt, um dem subtrahierten Ergebnis überlagert zu werden, sowie um verwendet zu werden, um den D/A-Wandler zu steuern.EP 0169535 A2 describes an analog / digital converter in which a voltage generated by a built-in D / A converter is successively subtracted from an analog input signal and the digital code of the built-in D / A converter is derived as the digital output signal when between the voltage generated by the D / A converter and the ana- the input signal is determined by a comparator. The output of the comparator is fed back to be superimposed on the subtracted result and to be used to control the D / A converter.
Die UK 2242583 A beschreibt einen Zweifachreferenzwinkelge- ber/Digital-Wandler, bei dem in einem DAW ein Cosinus- und Sinus-Gebersignal mit einem internen digitalen Sinus- bzw. Cosi- nus-Signal multipliziert wird, und die Ausgangssignale einem Fehlerverstärker zugeführt werden, der ein Fehlersignal erzeugt, welches durch einen Wandler digitalisiert und durch ein digitalisiertes Referenzsignal von dem Geber demoduliert wird. Das Ausgangssignal wird in dem Demodulator demoduliert und ü- ber ein Digitalfilter einem Binärakkumulator zugeführt. Das Akkumulatorausgangssignal wird zunächst durch eine Cosinus- Nachschlagtabelle, um über einen Modulator das Cosinuseingangssignal für den DAW zu erzeugen, und zweitens durch eine Sinus-Nachschlagtabelle verwendet, um über einen weiteren Mo- dulator das Sinuseingangssignal für den DAW zu erzeugen. Der Demudulator und die Modulatoren sind mit einem internen digitalen Referenzsynthesizer verbunden.UK 2242583 A describes a double reference angle encoder / digital converter in which a cosine and sine encoder signal is multiplied by an internal digital sine or cosine signal in a DAW, and the output signals are fed to an error amplifier, which generates an error signal which is digitized by a converter and demodulated by the encoder using a digitized reference signal. The output signal is demodulated in the demodulator and fed to a binary accumulator via a digital filter. The accumulator output signal is first used by a cosine look-up table to generate the cosine input signal for the DAW via a modulator, and secondly by a sine look-up table to generate the sine input signal for the DAW via a further modulator. The demudulator and modulators are connected to an internal digital reference synthesizer.
//
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ver- fahren und- eine Vorrichtung zum Umwandeln eines analogen Ein- i gangssignals in einer Sequenz von digitalen Ausgangswerten zu schaffen, so daß die dynamischen Eigenschaften der Umwandlung verbessert sind und dennoch für statische Eingangssignale hoheThe object of the present invention is to provide a method and a device for converting an analog input signal in a sequence of digital output values, so that the dynamic properties of the conversion are improved and nevertheless high for static input signals
Auflösungen erreicht werden können.Resolutions can be achieved.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Umwandeln eines analogen Eingangssignals in eine Sequenz von digitalen Ausgangswerten umfaßt das Bilden eines ersten Differenzwertes zwischen dem aktuellen Ausgangswert und dem analogen Eingangssignal. Das Verfahren umfaßt ferner das Überprüfen, ob der Betrag des ersten Differenzwertes einen vorbestimmten Betrag überschreitet, wobei, falls der Betrag des ersten Differenzwertes den vorbestimmten Betrag überschreitet, das Nachregeln des digitalen Ausgangswertes unter Verwendung eines bestimmten Regelwertes vorgesehen ist. Falls der Betrag des ersten Differenzwertes den vorbestimmten Betrag nicht überschreitet, sind das Bilden eines zweiten Differenzwertes zwischen der ersten Differenz und einem Integrationswert, der aus der Summe der negierten ersten Differenzwerte besteht, seit die Überprüfung in dem Schritt des Uberprüfens durchgehend ergab, daß der Betrag des ersten Differenzwertes den vorbestimmten Betrag nicht überschreitet, das Vergleichen des zweiten Differenzwertes mit einem vorbestimmten Schwellenwert und das Inkrementieren oder Dekrementieren des digitalen Ausgangswertes abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs vorgesehen.This object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 9. The method according to the invention for converting an analog input signal into a sequence of digital output values comprises forming a first difference value between the current output value and the analog input signal. The method further includes checking whether the amount of the first difference value exceeds a predetermined amount, and if the amount of the first difference value exceeds the predetermined amount, the digital output value is readjusted using a specific control value. If the amount of the first difference value does not exceed the predetermined amount, forming a second difference value between the first difference and an integration value consisting of the sum of the negated first difference values since the check in the step of checking continuously revealed that the amount of the first difference value does not exceed the predetermined amount, comparing the second difference value with a predetermined threshold value and incrementing or decrementing the digital output value depending on the result of the comparison.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umwandeln eines analogen Eingangssignals in eine Sequenz von digitalen Ausgangswerten umfaßt eine Einrichtung zum Bilden eines ersten Differenzwer- tes zwischen dem aktuellen digitalen Ausgangswert und dem analogen Eingangssignal sowie eine Einrichtung zum Überprüfen, ob der Betrag des ersten Differenzwertes einen vorbestimmten Betrag überschreitet. Es ist eine Einrichtung zum Nachregeln des digitalen Ausgangswertes unter Verwendung eines vorbestimmten Regelwertes, falls der Betrag des ersten Differenzwertes den vorbestimmten Betrag überschreitet, vorgesehen. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Einrichtung zum Bilden eines zweiten Differenzwertes zwischen dem ersten Differenzwert und einem Integrationswert, der aus der Summe der ersten Differenzwerte besteht, seit dem die Einrichtung zum Überprüfen durchgehend bestimmt hat, daß der Betrag des ersten Differenzwertes den vorbestimmten Betrag nicht überschreitet, zum Vergleichen des zweiten Differenzwertes mit einem vorbestimmten Schwellenwert und zum Inkrementieren oder zum Dekrementieren des digitalen Ausgangswertes abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs, falls der Betrag der ersten Differenz den vorbestimmten Betrag nicht überschreitet .The device according to the invention for converting an analog input signal into a sequence of digital output values comprises a device for forming a first difference value between the current digital output value and the analog input signal and a device for checking whether the amount of the first difference value exceeds a predetermined amount. A device is provided for readjusting the digital output value using a predetermined control value if the amount of the first difference value exceeds the predetermined amount. The device further comprises means for forming a second difference value between the first difference value and one Integration value consisting of the sum of the first difference values since the means for checking continuously determined that the amount of the first difference value does not exceed the predetermined amount, for comparing the second difference value with a predetermined threshold value and for incrementing or decrementing the digital one Initial value depending on the result of the comparison if the amount of the first difference does not exceed the predetermined amount.
Die hier vorliegende Erfindung trägt der Erkenntnis Rechnung, daß mechanische Systeme mit einer mechanischen Trägheit behaftet sind, so daß bei schneller Bewegung einer Maschine eine Auswertung der aktuellen Position der Maschine mit voller Auf- lösung nicht notwendig ist. Erst bei relativ langsamer Bewegung, wenn die Maschine schon beinahe ihren Zielort erreicht hat und steht, wird die genauere Position interessant. Hierbei ist der Ausdruck "langsam abbremsen" relativ zu der elektronischen Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verstehen, insofern, als daß für eine Maschine zwar nur wenige Millisekunden notwendig sind, um abzubremsen, und ein menschlicher Beobachter diesen Vorgang als ein "Stehenbleiben" beschreibt, ■. für integrierte elektronische Systeme aber wenige Millisekunden eine "lange Zeit" bedeuten.The present invention takes into account the knowledge that mechanical systems are subject to mechanical inertia, so that when a machine moves quickly, an evaluation of the current position of the machine with full resolution is not necessary. Only when the movement is relatively slow, when the machine has almost reached its destination, is the more precise position interesting. Here, the term "slow down" is to be understood relative to the electronic processing speed, in that a machine only needs a few milliseconds to slow down and a human observer describes this process as "stopping", ■. for integrated electronic systems but a few milliseconds mean a "long time".
Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Nachregeln des Ausgangswertes, d.h. die Grobquantisierung, durchgeführt, indem eine Mehrzahl von Zählerwerten zu bzw. von dem aktuellen Ausgangswert abhängig von den Vorzei- chen des ersten Differenzwertes addiert oder subtrahiert werden, bis der Ausgangswert das Eingangssignal überquert bzw. überschreitet. Nachdem der Ausgangswert nachgeregelt worden ist, bzw. wenn die Abweichung des aktuellen digitalen Aus- gangswerts von dem Wert des Eingangssignals klein ist, wird eine Feinquantisierung durchgeführt, bei der überprüft wird, ob der zweite Differenzwert den Schwellenwert überquert hat, und, falls dies der Fall ist, die Richtung bestimmt wird, in der der zweite Differenzwert den Schwellenwert überquert hat, wobei hierauf der aktuelle digitale Ausgangswert abhängig von der bestimmten Richtung inkrementiert oder dekrementiert wird. In dem Fall eines konstanten Eingangssignals oszilliert die sich ergebende Sequenz von Ausgangswerten um die beiden digi- talen, dem konstanten Eingangssignal nächstliegenden Werte herum. Aus der Häufigkeit des Auftretens der Werte kann durch anschließende Mittelwertbildung bezüglich einer variierbaren Anzahl von aufeinanderfolgenden Ausgangswerten der Sequenz von Ausgangswerten eine höhere Auflösung erzielt werden, bei- spielsweise wenn sich die Maschine ihrer Zielposition annähert, und folglich die Ausgaberate niedriger sein kann. Über die Anzahl der zur Mittelwertbildung verwendeten digitalen Ausgangswerte kann die Mittelungsdauer und somit die Totzeit des Regelungssystems auf eine aktuelle Verfahrgeschwindigkeit bzw. auf eine geeignete Ausgaberate für die Sequenz von Ausgabewerten eingestellt werden.In one exemplary embodiment according to the present invention, the readjustment of the output value, ie the rough quantization, is carried out by adding or subtracting a plurality of counter values to or from the current output value depending on the sign of the first difference value until the output value receives the input signal crosses or exceeds. After the output value has been adjusted or if the deviation of the current digital output When the input value is small from the value of the input signal, a fine quantization is carried out, in which it is checked whether the second difference value has crossed the threshold value and, if this is the case, the direction in which the second difference value has crossed the threshold value is determined , whereupon the current digital output value is incremented or decremented depending on the specific direction. In the case of a constant input signal, the resulting sequence of output values oscillates around the two digital values closest to the constant input signal. From the frequency of the occurrence of the values, subsequent averaging with respect to a variable number of successive output values of the sequence of output values enables a higher resolution to be achieved, for example when the machine approaches its target position and the output rate can consequently be lower. The averaging duration and thus the dead time of the control system can be set to a current travel speed or to a suitable output rate for the sequence of output values via the number of digital output values used for averaging.
Gemäß einem "speziellen Ausführungsbeispiel wird die vorliegende Erfindung auf zueinander in Quadratur stehende Signale an- gewendet, wie sie bei der Verwendung von LVDTs und RVDTs oder Anordnungen mit magnetoresistiven Widerständen oder Hallsensoren entstehen. Hierbei wird ein 4-Quadranten-Addierer, der aus zwei multiplizierenden DACs und einem Addierer besteht, verwendet, um aus den zueinander in Quadratur stehenden Signalen den ersten Differenzwert zu erhalten. Die vorliegende Erfindung ist folglich geeignet, um ein Paar von Signalen gleicher Frequenz zu verarbeiten und aus der momentanen Amplitude einen digital dargestellten Wert zu ermitteln, der einen im Augen- blick von einem Sensor zurückgelegten Weg repräsentiert. Bei der Digitalisierung kann die Phase des in den Eingangssignalen enthaltenen Trägers berücksichtigt werden, wodurch eine Umsetzung und eine Demodulation gleichzeitig durchgeführt werden.According to a " special exemplary embodiment, the present invention is applied to signals which are quadrature with respect to one another, as arise when LVDTs and RVDTs or arrangements with magnetoresistive resistors or Hall sensors are used. This is a 4-quadrant adder which consists of two multiplying DACs and an adder are used to obtain the first difference value from the signals which are quadrature with respect to one another. The present invention is therefore suitable for processing a pair of signals of the same frequency and for determining a digitally represented value from the instantaneous amplitude, the one in the eye represented by a sensor. During digitization, the phase of the carrier contained in the input signals can be taken into account, as a result of which conversion and demodulation are carried out simultaneously.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Integration eines Umsetzers gemäß der vorliegenden Erfindung leichter als bei den im Stand der Technik bekannten Umsetzern realisierbar ist. Insbesondere ist eine Integration in eine Standard-CMOS-Technologie möglich. Der Grund hierfür besteht darin, daß durch die anschließende lineare Interpolation zwischen den Ausgangswerten eine höhere Auflösung als die Auflösung der multiplizierenden DACs des 4-Quadranten- Multiplizierers erzielt werden kann, wodurch sich der Flächen- bedarf für die verwendeten Multiplizierer verringert, und dieselben schneller werden. Zusätzlich übernehmen drei Komparato- ren die Aufgabe der bei herkömmlichen Umsetzern verwendeten, schwer reproduzierbar zu integrierenden VCOs, und durch das Fehlen eines PSD fallen Störungen, Signalverzerrungen, ein er- höhter Chipflächenverbrauch, Offsetprobleme usw., wie sie im Stand der Technik auftreten, weg, so daß insgesamt weniger kritische Bauteile verwendet werden müssen.An advantage of the present invention is that an integration of a converter according to the present invention is easier to implement than with the converters known in the prior art. In particular, integration into a standard CMOS technology is possible. The reason for this is that the subsequent linear interpolation between the output values can achieve a higher resolution than the resolution of the multiplying DACs of the 4-quadrant multiplier, which reduces the area required for the multipliers used and makes them faster , In addition, three comparators take over the task of the VCOs used in conventional converters, which are difficult to reproduce to integrate, and the lack of a PSD eliminates interference, signal distortions, increased chip area consumption, offset problems, etc., as occur in the prior art , so that less critical components have to be used overall.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß besser© dynamische Eigenschaften bei hoher statische Auf- lösung erzielt werden.. Folglich können unter Verwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auch sehr schnelle Maschinensteuerungen digital realisiert werden. Insbesondere hängt die Auflösung der Sequenz von digi- talen Ausgangswerten, wie in der Praxis benötigt, von der Dynamik des Eingangssignals ab, wobei sich schnell ändernde Eingangssignale mit hoher Rate aber mit geringer Auflösung abgetastet werden, wie z.B. mit einer Schrittweite, die ein Mehr- faches der Gesamtauflösung beträgt, und sich langsam ändernde Eingangssignale mit hoher Auflösung abgetastet werden.Another advantage of the present invention is that better dynamic properties can be achieved with a high static resolution. Consequently, very fast machine controls can also be implemented digitally using the method or the device of the present invention. In particular, the resolution of the sequence of digital output values, as required in practice, depends on the dynamics of the input signal, with rapidly changing input signals being sampled at a high rate but with a low resolution, for example with a step size which is a multiple times the total resolution, and slowly changing input signals are sampled with high resolution.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Geschwindigkeit und der Stabilität der Nachführung des digitalen Ausgangswerts, da die Sequenz von Ausgangswerten schneller auf große Eingangssignaländerung reagieren kann und trotzdem kaum ein Überschwingen aufweist. Die Störunterdrückung und die Elimination der Regelabweichung unter Verwendung des Integra- tionswertes bleiben erhalten. Zudem summiert der Integrationswert alle bisherigen Umsetzfehler auf und ermöglicht folglich die anschließende Interpolation von Werten zwischen den mit den Multiplizierer-DACs einstellbaren Werten. Die Auflösung eines erfindungsgemäßen Umsetzers läßt sich mit einem Interpo- lationsfilter der Länge 2Nl um Ni Bits erhöhen.Another advantage of the present invention is the speed and stability of the tracking of the digital output value, since the sequence of output values can react more quickly to a large change in the input signal and still has hardly any overshoot. The interference suppression and the elimination of the control deviation using the integration value are retained. In addition, the integration value sums up all previous conversion errors and consequently enables the subsequent interpolation of values between the values that can be set with the multiplier DACs. The resolution of a converter according to the invention can be increased by Ni bits with an interpolation filter of length 2 Nl .
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert:Preferred exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings:
Fig. la lb und lc schematische Darstellungen von Sensoranordnungen zur Positionsmessung unter Erzeugung von zueinander in Quadratur stehenden Ausgangssignalen gemäß dem Stand der Technik;Fig. La lb and lc schematic representations of sensor arrangements for position measurement with the generation of quadrature output signals according to the prior art;
Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen zueinander in Quadratur stehenden Ausgangssignalen, einem Erregersignal und einem Drehwinkel;2 shows a vector diagram to illustrate the relationship between output signals which are in quadrature with one another, an excitation signal and an angle of rotation;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Umsetzers mit getrennter Digitalisierung der beiden Eingangssignale gemäß dem Stand der Technik; Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Umsetzers mit einem Si- nus/Digital-Wandler gemäß dem Stand der Technik;3 shows a block diagram of a converter with separate digitization of the two input signals according to the prior art; 4 shows a block diagram of a converter with a sinus / digital converter according to the prior art;
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines ratiometrischen Umsetzers gemäß dem Stand der Technik;5 shows a block diagram of a ratiometric converter according to the prior art;
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Umsetzers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;6 shows a block diagram of a converter according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des die Grobquantisierung durchführenden Teils des Umsetzers von Fig. 6;FIG. 7 is a block diagram illustrating the part of the converter of FIG. 6 that performs the rough quantization;
Fig. 8 ein Blockschaltbild des die Feinquantisierung durchführenden Teils des Umsetzers von Fig. 6;FIG. 8 is a block diagram of the part of the converter of FIG. 6 that carries out the fine quantization;
Fig. 9 ein Blockschaltbild des die Mittelwertbildung der Sequenz von Ausgangswerten durchführenden Teils des Um- setzers von Fig. 6;FIG. 9 shows a block diagram of the part of the converter from FIG. 6 that averages the sequence of output values; FIG.
Fig. 10 ein Blockschaltbild des 4-Quadranten-Addierers des in Fig. 6 gezeigten Umsetzers;Fig. 10 is a block diagram of the 4-quadrant adder of the converter shown in Fig. 6;
Fig. 11a einen Graphen, in dem gegen aufeinanderfolgende Zyklenschritte Signalwerte aufgetragen sind, die bei einem ersten Beispielablauf der Schaltung von Fig. 6 auftreten;11a is a graph in which signal values are plotted against successive cycle steps, which occur in a first example sequence of the circuit of FIG. 6;
Fig. 11b einen Graphen, in dem gegen aufeinanderfolgende Zyklenschritte weitere Signalwerte aufgetragen sind, die bei dem ersten Beispielablauf von Fig. 11a auftreten; Fig. 11c einen Graphen, in dem gegen aufeinanderfolgende Zyklenschritte Signalwerte aufgetragen sind, die bei einem zweiten Beispielablauf der Schaltung von Fig. 6 auftreten;11b is a graph in which further signal values are plotted against successive cycle steps, which occur in the first example sequence of FIG. 11a; 11c is a graph in which signal values are plotted against successive cycle steps, which occur in a second example sequence of the circuit of FIG. 6;
Fig. lld einen Graphen, in dem gegen aufeinanderfolgende Zyklenschritte weitere Signalwerte aufgetragen sind, die bei dem zweiten Beispielablauf von Fig. 11c auftreten; undFIG. 11d shows a graph in which further signal values are plotted against successive cycle steps, which occur in the second example sequence from FIG. 11c; and
Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Umsetzers gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.12 shows a block diagram of a converter according to a special exemplary embodiment of the present invention.
Bezugnehmend auf Fig. 6 wird zunächst ein Umsetzer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Insbesondere zeigt Fig. 6 das Blockschaltbild des Umsetzers, während Fig. 7 - 10 einzelne Teile der Umsetzers zeigen, anhand derer die Funktionsweise des Umsetzers von Fig. 6 erklärt wird.6, a converter according to an embodiment of the present invention will first be described. In particular, FIG. 6 shows the block diagram of the converter, while FIGS. 7-10 show individual parts of the converter, on the basis of which the functioning of the converter of FIG. 6 is explained.
Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, umfaßt der Umsetzer einen 4- Quadranten-Addierer 610, einen invertierenden Integrator 620, einen Addierer 630, drei Komparatoren 640, 650, 660 (H, L, I), eine Steuerlogik 670, einen Auf/Ab-Zähler 680 und ein anpaßbares Digitalfilter 690. -Ein Eingang des Addierers 610 ist mit dem Eingang 700 des Umsetzers verbunden, um das Eingangssignal α zu empfangen, wobei der Ausgang des Addierers 610 mit den Eingängen der Komparatoren 640 und 650 und des Integrators 620 sowie einem Eingang des Addierers 630 verbunden ist. Der Addierer 630 empfängt neben dem Ausgangssignal ε des Addierers 610- das integrierte Ausgangssignal Σ des Integrators 620. Der Ausgang δ des Addierers 630 ist mit einem Eingang des Kompara- tors 660 verbunden. Die Ausgänge der Komparatoren 640 - 660 sind mit jeweils einem Eingang der Steuerlogik 670 verbunden. Die Steuerlogik 670 ist an drei Ausgängen jeweils mit einem Eingang des Integrators 620, des Auf/Ab-Zählers 680 und des anpaßbaren Digitalfilters 690 verbunden. Der Ausgang des Auf/Ab-Zählers 680 ist mit einem weiteren Eingang des Addierers 610 sowie mit einem Eingang des Digitalfilters 690 verbunden und' gibt das Umsetzergebnis bzw. den aktuellen digitalen Ausgangswert Θn aus. Der Ausgang des adaptiven Filters 690 ist mit einem Ausgang 710 des Umsetzers verbunden, um das gefilterte Umsetzergebnis auszugeben.As shown in FIG. 6, the converter includes a 4-quadrant adder 610, an inverting integrator 620, an adder 630, three comparators 640, 650, 660 (H, L, I), control logic 670, an open / Down counter 680 and a customizable digital filter 690. An input of adder 610 is connected to input 700 of the converter to receive input signal α, the output of adder 610 being connected to the inputs of comparators 640 and 650 and the integrator 620 and an input of the adder 630 is connected. In addition to the output signal ε of the adder 610-, the adder 630 receives the integrated output signal Σ of the integrator 620. The output δ of the adder 630 is connected to an input of the comparator- tors 660 connected. The outputs of the comparators 640-660 are each connected to an input of the control logic 670. The control logic 670 is connected at three outputs to an input of the integrator 620, the up / down counter 680 and the adaptable digital filter 690. The output of the up / down counter 680 is connected to a further input of the adder 610 and to an input of the digital filter 690 and 'outputs the conversion result and the current digital output value Θ n of. The output of the adaptive filter 690 is connected to an output 710 of the converter in order to output the filtered conversion result.
Nach dem bezugnehmend auf Fig. 6 der Schaltungsaufbau des Umsetzers beschrieben worden ist, wird bezugnehmend auf die Fig. 7 - 10 die Funktionsweise des Umsetzers erklärt, wobei darauf hingewiesen wird, daß in den Fig. 7 - 10 für gleiche Elemente wie in der Fig. 6 die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, und eine Erklärung der Verschaltung dieser Elemente folglich weggelassen wird. Außerdem wurde zur Vereinfachung der Dar- Stellung bei der Fig. 8 die Steuerlogik 670 weggelassen.After the circuit structure of the converter has been described with reference to FIG. 6, the mode of operation of the converter is explained with reference to FIGS. 7-10, it being pointed out that in FIGS. 7-10 for elements that are the same as in FIG 6 the same reference numerals are used, and an explanation of the interconnection of these elements is therefore omitted. Control logic 670 has also been omitted from FIG. 8 to simplify the illustration.
Die Fig. 7 zeigt den Teil der Schaltung von-- Fig. 6 der die Grobquantisierung des Eingangssignals α durchführt. Dieser Teil wird durch eine Rückkopplungsschleife gebildet, die den 4-Quadranten-Addierer 610, die Komparatoren 640, 650 und 660 die Steuerlogik 670 und den Auf/Ab-Zähler 680 umfaßt. Bei demFig. 7 shows the part of the circuit of - Fig. 6 which performs the rough quantization of the input signal α. This portion is formed by a feedback loop that includes 4-quadrant adder 610, comparators 640, 650, and 660, control logic 670, and up / down counter 680. In which
Addierer 610 wird das aktuelle Umsetzergebnis Θn, das in dem Auf/Ab-Zähler 680 gespeichert ist, von dem analogen Eingangssignal α subtrahiert, wodurch an dem Ausgang des Addierers 610 ein Fehlersignal ε = α - Θn erzeugt wird. Der Komparator 640 empfängt das Fehlersignal ε, und überprüft, ob das Fehlersignal ε einen bestimmten Schwellenwert S überschreitet. Entsprechend überprüft der Komparator 650 das Fehlersignal ε daraufhin, ob dasselbe kleiner als Minus der Schwellenwert S ist. Da der Integrator 620 (Fig. 6) kein Ausgangssignal liefert gibt der Addierer 630 (Fig. 6) sein Eingangssignal ε direkt weiter und kann für diese Betrachtung weggelassen werden. Der Komparator 660 überprüft, ob der Wert von ε Null überschreitet. Folglich wirken die drei Komparatoren 640, 650 und 660 zusammen, um zu überprüfen, ob das Fehlersignal ε außerhalb eines bestimmten, die Null umgebenden Bereiches liegt, bzw. ob der Betrag des Fehlersignals ε den Schwellenbetrag überschreitet, und welches Vorzeichen ε hat.Adder 610 subtracts the current conversion result Θ n stored in the up / down counter 680 from the analog input signal α, thereby generating an error signal ε = α - Θ n at the output of the adder 610. The comparator 640 receives the error signal ε and checks whether the error signal ε exceeds a certain threshold value S. Corresponding The comparator 650 checks the error signal ε to determine whether it is less than the minus the threshold value S. Since the integrator 620 (FIG. 6) does not supply an output signal, the adder 630 (FIG. 6) passes on its input signal ε directly and can be omitted for this consideration. The comparator 660 checks whether the value of ε exceeds zero. Consequently, the three comparators 640, 650 and 660 cooperate in order to check whether the error signal ε lies outside a specific area surrounding the zero or whether the magnitude of the error signal ε exceeds the threshold amount and which sign ε has.
Falls der Betrag des Fehlersignals ε den Schwellenbetrag überschreitet, bedeutet dies, daß der augenblickliche Digitalwert bzw. das Umsetzergebnis Θn von dem analogen Eingangswert α sehr weit weg liegt, wobei der jeweilige Komparator 640 oder 650 ein entsprechendes Signal an die Steuerlogik 670 sendet, um zu bewirken das der augenblickliche Digitalwert, der in dem Auf/Ab-Zähler 680 gespeichert, an das Eingangssignal α ange- paßt wird. Die Anpassung bzw. das Nachregeln des augenblicklichen Digitalwertes wird durch geeignetes Addieren bzw. Subtrahieren eines Regelwerts, beispielsweise einer bestimmten Anzahl von Zählerwerten, durchgeführt, wobei die Regelschleife derart wirlt, daß der aktuelle Digitalwert nachgeführt wird, bis das Umsetzerergebnis Θn den analogen Eingangswert α überschreitet bzw. überquert. Diese Nachführung wird vorzugsweise ohne größere Zeitverzögerung, beispielsweise unter Verwendung einer Proportionalregelung, durchgeführt. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, daß in dem Fall, daß der Betrag des Fehlersignals ε den bestimmten Schwellenwert überschreitet, der Auf/Ab-Zähler 680 den aktuellen Digitalwert pro Regelzyklus um eine bestimmte, an den Betrag des Fehlersignals ε angepaßte An- zahl von Zählerwerten erhöht bzw. verringert. Um die Anzahl von Zählerwerten in Abhängigkeit von dem Fehlersignal ε zu bestimmen, könnte eine Nachschlagtabelle verwendet werden. Eine solche Anpassung der Zählerschrittweite bzw. der Auflösung trägt dem Umstand Rechnung, daß Maschinen eine mechanische Trägheit aufweisen, so daß eine Nachführung des aktuellen Digitalwertes um einzelne Zählerwerte nicht erforderlich ist. Zudem können hierdurch auch schnellere Bewegungen der Maschine nachverfolgt werden. Es ist jedoch auch ferner möglich, daß der aktuelle Digitalwert Θn in dem Auf/Ab-Zähler 680 pro Zyklus lediglich durch Addieren oder Abziehen eines einzelnen Zählerwerts bzw. Inkrementieren oder Dekrementieren nachgeführt wird.If the amount of the error signal ε exceeds the threshold amount, this means that the instantaneous digital value or the conversion result Θ n is very far away from the analog input value α, with the respective comparator 640 or 650 sending a corresponding signal to the control logic 670 to effect that the instantaneous digital value, which is stored in the up / down counter 680, is adapted to the input signal α. The adaptation or readjustment of the instantaneous digital value is carried out by suitably adding or subtracting a control value, for example a certain number of counter values, the control loop operating in such a way that the current digital value is tracked until the converter result Θ n corresponds to the analog input value α exceeds or crosses. This tracking is preferably carried out without a major time delay, for example using proportional control. For example, it can be provided that in the event that the magnitude of the error signal ε exceeds the specific threshold value, the up / down counter 680 the current digital value per control cycle by a certain amount adapted to the magnitude of the error signal ε Number of counter values increased or decreased. A lookup table could be used to determine the number of counter values depending on the error signal ε. Such an adjustment of the counter increment or the resolution takes into account the fact that machines have a mechanical inertia, so that it is not necessary to track the current digital value by individual counter values. This also enables faster machine movements to be tracked. However, it is also possible for the current digital value Θ n in the up / down counter 680 to be tracked per cycle simply by adding or subtracting an individual counter value or incrementing or decrementing it.
Es ist wahlweise ferner möglich, mit der Beendigung der Grobquantisierung nicht zu warten, bis Θn α überquert, sondern schon unmittelbar nachdem der Betrag von ε den Schwellenwert S unterschreitet zur Feinquantisierung weiterzugehen.It is optionally also possible not to wait until the end of the rough quantization until, n α crosses over, but to proceed to the fine quantization immediately after the amount of ε falls below the threshold value S.
Während bei der Grobquantisierung die bezugnehmend auf die Fig. 7 beschrieben worden ist, die Auflösung des Umsetzergebnisses Θn durch die digitale Breite des Auf/Ab-Zählers 680 begrenzt ist, ist es bei einer Feinquantisierung, die bezugnehmend auf die Fig. 8 im folgendem beschrieben werden wird, durch anschließendes digitales Filtern möglich, die Auflösung des Umsetzergebnisses Θn zu erhöhen. Der die Feinquantisierung durchführenden Teil der Schaltung von Fig. 6 ist in Fig. 8 gezeigt und umfaßt in einem Regelkreis den 4-Quadraten-Addierer 610, den invertierenden Integrator 620, den Addierer 630, den Komparator 660, die Steuerlogik 670 (Fig. 6) und den Auf/Ab¬ Zähler 680. Dieser Teil der Schaltung wirkt, um die Feinquantisierung in dem Fall durchzuführen, daß das aktuelle Umsetzergebnis Θn von dem Eingangssignal α nur wenig, beispielsweise lediglich um höchstens 2 Zählerwerte, abweicht. Ist dies der Fall, wird der Integrator 620 durch die Steuerlogik 670 (Fig. 6) , die in Fig. 8 wiederum aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt ist, aktiviert und die Feinquantisierung beginnt. Wenn die Feinquantisierung während aufeinanderfolgender Taktzyklen stattfindet, d.h. falls die Überprüfung des Fehlersignals ε bei aufeinanderfolgenden Zyklen ergibt, daß sich das aktuelle Umsetzergebnis Θn von dem Eingangssignal α um weniger als den bestimmten Schwellenwert S unterscheidet, gibt der Integrator 620 an seinem Ausgang ein Integrationssignal Σ aus, das der Integration des bisher aufgetretenen invertierten Fehlersignals -ε seit dem Zeitpunkt entspricht, da der Betrag des Fehlersignals ε das letzte mal den Schwellenbetrag unterschritten hat. Der Addierer 630 zieht von dem aktuellen Fehlersignal ε den Integrationswert Σ ab und gibt die Differenz δ an den Komparator 660 aus. Der Komparator 660 vergleicht den von dem Addierer 630 ausgegebenen Differenzwert mit einem Vergleichswert und gibt das Ergebnis des Vergleichs an die Steuerlogik 670 aus. Die Steuerlogik 670 (Fig. 6) steuert den Auf/Ab-Zähler 680 derart an, daß der aktuelle Digitalwert Θn um einen Zählerwert inkrementiert wird, wenn δ größer als de-r Vergleichswert des Komparators 660 ist, und andernfalls Θn dekrementiert wird. Wie es im Folgenden deutlich werden wird, schwankt durch diese Regelung das Umsetzergebnis Θn um die beiden digitalen Werte herum, die dem Eingangssignal α am nächsten sind. Im Folgenden wird bezugnehmend auf die Tabelle 1 die Funktionsweise der Feinquantisierungsrückkopplung näher erläutert. Tabelle 1While the rough quantization described with reference to FIG. 7, the resolution of the conversion result Θ n is limited by the digital width of the up / down counter 680, it is the case with a fine quantization that follows with reference to FIG. 8 will be described, possible by subsequent digital filtering to increase the resolution of the conversion result Θ n . The part of the circuit of FIG. 6 that performs the fine quantization is shown in FIG. 8 and comprises in a control loop the 4-square adder 610, the inverting integrator 620, the adder 630, the comparator 660, the control logic 670 (FIG. 6 ) and 680. This section operates the up / down counter ¬ the circuit to the fine quantization, in the case to carry out, that the actual conversion result Θ n of the input signal α only slightly, e.g. only deviates by a maximum of 2 counter values. If this is the case, the integrator 620 is activated by the control logic 670 (FIG. 6), which is again not shown in FIG. 8 for reasons of clarity, and the fine quantization begins. If the fine quantization takes place during successive clock cycles, that is to say if the check of the error signal ε in the case of successive cycles shows that the current conversion result Θ n differs from the input signal α by less than the determined threshold value S, the integrator 620 outputs an integration signal Σ at its output that corresponds to the integration of the inverted error signal -ε that has occurred so far since the time since the amount of the error signal ε was below the threshold amount for the last time. The adder 630 subtracts the integration value Σ from the current error signal ε and outputs the difference δ to the comparator 660. The comparator 660 compares the difference value output by the adder 630 with a comparison value and outputs the result of the comparison to the control logic 670. The control logic 670 (FIG. 6) controls the up / down counter 680 in such a way that the current digital value Θ n is incremented by a counter value if δ is greater than the comparison value of the comparator 660, and Θ n is otherwise decremented , As will become clear in the following, this regulation causes the conversion result Θ n to fluctuate around the two digital values that are closest to the input signal α. The mode of operation of the fine quantization feedback is explained in more detail below with reference to Table 1. Table 1
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000028_0001
Figure imgf000029_0001
Figure imgf000028_0001
Figure imgf000029_0001
Die Tabelle 1 umfaßt 8 Spalten, in denen von links nach rechts der Regelzyklus n, der Wert des Eingangssignals α bei dem Regelzyklus n, der Digitalwert Θn bei dem Regelzyklus n, das Feh- lersignal ε, der Integrationswert Σ bei dem Regelzyklus n, der Differenzwert δ, der bei dem Regelzyklus n von dem Addierer 630 ausgegeben wird, der Mittelwert der letzten 1Q_ Digitalwerte Θn und die Steuerhandlung der Steuerlogik 670 jeweils vor und nach der Entscheidung angegeben sind. In Fig. 11a sind zur leichteren"'Veranschaulichung die Werte von ε, Σ und δ und in Fig. 11b die Werte von' α, Θ und der Mittelwert von Θ über 10 Schritte auf der y-Achse aufgetragen, während auf der x-Achse die Zyklenschritte aufgetragen sind. In dem Beispiel von Tabelle 1 wird angenommen, daß die digitale Auflösung des Auf/Ab-Zählers 680 auf ganzzahlige Zahlen begrenzt ist. Zudem wird angenommen, daß der bestimmte Schwellenwert 2 und der Vergleichswert 0 beträgt. Folglich findet die Feinquantisierung statt, falls der Betrag des Fehlersignals ε kleiner Zwei ist. Ferner wird bei dem Beispiel von Tabelle 1 angenommen, daß es sich bei dem Eingangssignal α um den Drehwinkel einer Maschine handelt, und daß die Maschine sich ab einem Zyklus n = -2 in Ruhe befindet.Table 1 comprises 8 columns in which from left to right the control cycle n, the value of the input signal α in the control cycle n, the digital value Θ n in the control cycle n, the error signal ε, the integration value Σ in the control cycle n, the difference value δ, which is output by the adder 630 in the control cycle n, the mean value of the last 1Q_ digital values Θ n and the control action of the control logic 670 are given before and after the decision. The values of ε, Σ and δ are shown in FIG. 11a for easier illustration and in FIG. 11b the values of ' α, Θ and the mean value of Θ are plotted over 10 steps on the y-axis, while on the x- In the example of Table 1, it is assumed that the digital resolution of the up / down counter 680 is limited to integer numbers, it is also assumed that the determined threshold value is 2 and the comparison value is 0. Therefore, the Fine quantization instead if the amount of the error signal ε is less than two is. Furthermore, it is assumed in the example of Table 1 that the input signal α is the angle of rotation of a machine and that the machine is at rest from a cycle n = -2.
In den Zyklen n=-2 bis n=0 befindet sich der Umsetzer in einem Grobquantisierungszustand, da das Fehlersignal ε = α-Θn größer Zwei ist. In diesem Fall ist der Integrator abgeschaltet, der Integrationswert Σ gleich Null und der Differenzwert δ gleich ε, da die Feinquantisierung deaktiviert ist, und die Grobquantisierung aktiviert wird, um den Digitalwert Θ des Auf/AbZählers 680 solange nachzuregeln, bis der aktuelle Digitalwert Θn das Eingangssignal α überschreitet. Wie es in Tabelle 1 gezeigt ist, wird angenommen, daß dieser Vorgang n0=3 Zyklen er- fordert. In dem Zyklus 1 liegen der aktuelle Digitalwert Θn und das Eingangssignal α eng beieinander, so daß die Feinquantisierung durchgeführt wird.In the cycles n = -2 to n = 0, the converter is in a rough quantization state, since the error signal ε = α-Θ n is greater than two. In this case, the integrator is switched off, the integration value Σ is equal to zero and the difference value δ is equal to ε, since fine quantization is deactivated, and coarse quantization is activated in order to readjust the digital value Θ of the up / down counter 680 until the current digital value Θ n the input signal exceeds α. As shown in Table 1, it is assumed that this process requires n0 = 3 cycles. In cycle 1, the current digital value Θ n and the input signal α are close together, so that the fine quantization is carried out.
Der Integrationswert Σ wird durch die Steuerlogik 670 auf den Wert 0 initialisiert. Der durch den Addierer 630 erzeugte Differenzwert δ ergibt sich zu -0,3. Der Komparator 660 stellt fest, daß dieser Wert kleiner als sein Vergleichswert ist. Die Steuerlogik 670 entscheidet, daß der Zähler 680 jetzt Θ auf den Wert 14 "dekrementiert . Beim Umschalten von Θ ändern sich ε und δ sprungartig auf den Wert 0,7. Da hier die Feinquantisierung beginnt, gibt die Steuerlogik 670 jetzt den invertierenden Integrator 620 frei. Ab diesem Zeitpunkt wird -ε kontinuierlich aufintegriert . Die Integrator-Zeitkonstante ist in diesem Beispiel so gewählt, daß sich Σ nach einem Schritt mit dem konstanten Signal ε am Eingang des Integrators 620 um -ε ändert . Bis zum Schritt n=2 ist damit das Integratorsignal Σ bis auf - 0,7 gefallen und mit ihm das Differenzsignal δ auf 1,4 gestiegen. Der Komparator 660 stellt fest, daß der Wert von δ jetzt größer als sein Vergleichswert ist. Die Steuerlogik 670 entscheidet, daß der Zähler 680 Θ auf den Wert 15 inkrementieren muß. Beim Umschalten von Θ ändern sich ε und δ sprungartig auf die Werte -0,3 und 0,4.The integration value Σ is initialized to the value 0 by the control logic 670. The difference value δ generated by the adder 630 results in -0.3. Comparator 660 determines that this value is less than its comparison value. The control logic 670 decides that the counter 680 now decrements Θ to the value 14 ". When Um is switched, the ε and δ change abruptly to the value 0.7. Since the fine quantization begins here, the control logic 670 now gives the inverting integrator 620 The integrator time constant in this example is chosen such that Σ changes by ε after a step with the constant signal ε at the input of the integrator 620. By step n = 2, the integrator signal Σ has dropped to - 0.7 and the difference signal δ has risen to 1.4. Comparator 660 determines that the value of δ is now greater than its comparison value. The control logic 670 decides that the counter 680 Θ must increment to the value 15. When switching Θ, ε and δ change abruptly to the values -0.3 and 0.4.
Da ε negativ ist steigt das Integratorsignal Σ wieder an und erreicht bis zum Schritt n=3 den Wert -0,4. δ ist damit auf 0,1 gefallen. Dennoch ist δ immer noch größer als der Vergleichswert des Komparators 660. Die Steuerlogik 670 entscheidet, daß der Zähler 680 Θ erneut inkrementieren muß. Θ erhält den Wert 16. Beim Umschalten von Θ ändern sich ε und δ sprungartig auf die Werte -1,3 und -0,9.Since ε is negative, the integrator signal Σ rises again and reaches the value -0.4 until step n = 3. δ has thus dropped to 0.1. Nevertheless, δ is still greater than the comparison value of the comparator 660. The control logic 670 decides that the counter 680 has to increment Θ again. Θ receives the value 16. When Um is switched, ε and δ change abruptly to the values -1.3 and -0.9.
Bis zum Schritt n=4 steigt das Integratorsignal Σ weiter an, bis zum Wert 0,9. δ fällt damit auf -2,2 und ist dann kleiner als der Vergleichswert des Komparators 660. Θ wird auf den Wert 15 dekrementiert und ε und δ springen auf -0,3 bzw. -1,2.Up to step n = 4, the integrator signal Σ continues to rise, up to the value 0.9. δ thus drops to -2.2 and is then smaller than the comparative value of the comparator 660. Θ is decremented to the value 15 and ε and δ jump to -0.3 and -1.2, respectively.
Bis zum Sohritt n=5 steigt das Integratorsignal Σ immer noch weiter an, bis zum Wert 1,2. δ fällt damit auf -1,5 und ist wieder kleiner als der Vergleichswert des Komparators 660. Θ wird auf den Wert 14 dekrementiert und ε und δ springen auf 0,7 bzw. -0,5.Up to the step n = 5, the integrator signal Σ continues to rise up to the value 1.2. δ thus drops to -1.5 and is again smaller than the comparative value of the comparator 660. Θ is decremented to the value 14 and ε and δ jump to 0.7 and -0.5, respectively.
Bis zum Schritt n=6 fällt das Integratorsignal Σ wieder, bis zum- Wert 0,5. δ steigt damit auf 0,2 und ist größer als derUp to step n = 6, the integrator signal Σ falls again, down to the value 0.5. δ thus rises to 0.2 and is larger than that
Vergleichswert des Komparators 660. Θ wird auf den Wert 15 in- krementiert und die Signale ε und δ springen auf -0,3 bzw. - 0,8.Comparative value of the comparator 660. Θ is set to the value 15 incremented and the signals ε and δ jump to -0.3 and - 0.8, respectively.
Bis zum Schritt n=7 steigt das Integratorsignal Σ an, bis zum Wert 0,8. δ fällt damit auf -1,1 und ist dann kleiner als der Vergleichswert des Komparators 660. Θ wird auf den Wert 14 dekrementiert. ε und δ springen auf 0,7 bzw. -0,1.The integrator signal Σ rises up to step n = 7, up to the value 0.8. δ thus drops to -1.1 and is then smaller than the comparative value of the comparator 660. Θ is decremented to the value 14. ε and δ jump to 0.7 and -0.1, respectively.
Bis zum Schritt n=8 fällt das Integratorsignal Σ wieder, bis zum Wert 0,1. δ steigt damit auf 0,6 und ist größer als der Vergleichswert des Komparators 660. Θ wird auf den Wert 15 in- krementiert und die Signale ε und δ springen auf -0,3 bzw. - 0,4.Up to step n = 8, the integrator signal Σ falls again, down to the value 0.1. δ thus rises to 0.6 and is larger than the comparison value of the comparator 660. Θ is incremented to the value 15 and the signals ε and δ jump to -0.3 and - 0.4, respectively.
Dies setzt sich fort bis zum Schritt n=ll, wobei Θ bei n=9 dekrementiert und bei n=10 inkrementiert wird.This continues until step n = ll, where Θ is decremented at n = 9 and incremented at n = 10.
Bis zum Schritt n=ll hat das Integratorsignal Σ den Wert 0,0 wieder erreicht. Die Situation entspricht der des Schritts n=l. Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß sich von Schritt n=ll bis zum Schritt n=21 die Zustände von "Schritt n=l bis Schritt n=ll wiederholen. Dieses zyklische Verhalten mit der Periode von zehn Schritten, in denen der Digitale Ausgangswert Θ um diejenigen Digitalwerte herum schwankt, die dem Ein- gangswert α am nächsten liegen, setzt sich fort, solange sich α nicht ändert.By step n = ll, the integrator signal Σ has reached the value 0.0 again. The situation corresponds to that of step n = 1. The table shows that from step n = ll to step n = 21 the states from " step n = 1 to step n = ll are repeated. This cyclical behavior with the period of ten steps in which the digital output value Θ fluctuating around those digital values that are closest to the input value α continues as long as α does not change.
Anders ausgedrückt wird bei jedem Schritt das Fehlersignal ε mit dem Integratorsignal Σ verglichen. Θ oszilliert zwischen den beiden α nächstliegenden Werten hin und her - wie in denIn other words, the error signal ε is compared with the integrator signal Σ at each step. Θ oscillates between the two nearest α values - as in the
Schritten n=5 bis n=12 sichtbar. Ist ε im Mittel eher positiv, also Θ im Mittel zu klein, so sinkt Σ immer weiter ab, bis Θ vom größeren der beiden Werte aus einmal mehr nach Θi+2 erhöht wird - wie im Schritt n=13 - da Σ kleiner als der kleinere Wert von ε wird. Dadurch wird Θ im Mittel zu groß, Σ steigt wieder an und Θ oszilliert wieder zwischen den beiden α nächstliegenden Werten ©i < α und Θι+1 > α hin und her.Steps n = 5 to n = 12 visible. If ε is rather positive on average, So Θ too small on average, Σ continues to decrease until Θ increases again from größereni +2 from the larger of the two values - as in step n = 13 - because Σ becomes smaller than the smaller value of ε. As a result, Θ becomes too large on average, Σ rises again and Θ oscillates back and forth between the two α closest values © i <α and Θι + 1> α.
Liegt α genau zwischen Θi und Θι+1, so oszilliert Θ nur zwischen den beiden Werten hin und her.If α lies exactly between Θi and Θι + 1, Θ only oscillates between the two values.
Ist α > Θi + 0,5, so tritt zum Ausgleich regelmäßig zusätzlich der Wert Θ± + 2 auf. Ist α < Θi + 0,5, so tritt regelmäßig zusätzlich der Wert Θi - 1 auf.If α> Θi + 0.5, the value Θ ± + 2 also occurs regularly to compensate. If α <Θi + 0.5, the value Θi - 1 also occurs regularly.
Insgesamt entspricht dieser Feinquantisierungsrück- kopplungsprozeß der Funktionsweise eines SIGMA-DELTA- Umsetzers. Aus dem Verhältnis der Häufigkeit des Auftretens der digitalen Werte können durch Mittelwertbildung über mehrere Schritte in einem digitalen Filter interpolierte Zwischen- werte ermittelt werden, wie es bezugnehmend auf Fig. 9 näher erläutert werden wird. ,Overall, this fine quantization feedback process corresponds to the functioning of a SIGMA-DELTA converter. Interpolated intermediate values can be determined from the ratio of the frequency of the occurrence of the digital values by averaging over several steps in a digital filter, as will be explained in more detail with reference to FIG. 9. .
Bildet man den Mittelwert über die letzten 10 Θ Werte der Ta- belle 1, so- erhält man nach einer Einschwingzeit von maximal 10 Schritten, nachdem die Feinquantisierung einsetzt, das ge¬ nauere Umsetzergebnis von 14,7, wie es in der siebten Spalte der Tabelle aufgetragen ist, da innerhalb einer Periode einmal der Wert 16, fünf mal der Wert 15 und viermal der Wert 14 auf¬ tritt.By forming the mean value over the last 10 values of Θ Ta beauty 1, SO is obtained after a settling time of at most 10 steps after the fine quantization employed, the ge ¬ more accurate conversion result of 14.7, as in the seventh column table is applied, as occurs within a period once the value 16, five times the value of 15, and four times the value of 14 on ¬.
Bezugnehmend auf Fig. 8 und die Tabelle 1 wird jedoch darauf hingewiesen, daß, obwohl im vorhergehendem der Vergleichswert des Komparators 660 Null betrug, derselbe ferner auf einen anderen Wert eingestellt werden kann. Entsprechend kann auch der Initialisierungswert des Integrators 620 auf einen anderen Wert eingestellt werden als Null. Außerdem ist es möglich, dem Fehlerwert ε sofort bei Initialisierung zu dem Initialisierungswert zu addieren. Bezugnehmend auf die Tabelle 1 wird insbesondere darauf hingewiesen, daß im vorhergehenden die Feinquantisierungsregelung in diskreten Zyklen beschrieben worden ist, daß aber erst bei dem Auf/Ab-Zähler 680 die ei- gentliche Digitalisierung stattfindet, und daß der Integrator 620, der Addierer 630 und der Komparator 660 analoge Komponenten darstellen, und der Integrationswert Σ und der Differenzwert δ analoge Signale sind. Die in der Tabelle 1 gezeigten Werte ergeben sich erst durch Anlegen eines geeigneten Taktes an die Steuerlogik und an den Auf/Ab-Zähler .Referring to Fig. 8 and Table 1, however, it should be noted that, although in the foregoing, the comparison value of the comparator 660 was zero, which can also be set to a different value. Accordingly, the initialization value of the integrator 620 can also be set to a value other than zero. It is also possible to add the error value ε to the initialization value immediately upon initialization. With reference to Table 1, it is pointed out in particular that the fine quantization control in discrete cycles has been described above, but that the actual digitization only takes place at the up / down counter 680, and that the integrator 620, the adder 630 and the comparator 660 represent analog components, and the integration value Σ and the difference value δ are analog signals. The values shown in Table 1 are only obtained by applying a suitable clock to the control logic and to the up / down counter.
Der analoge Signalpfad bis zum Integrator 620 stellt sicher, daß kleine Störungen, die dem Eingangssignal α überlagert sind, durch den Integrator 620 gemittelt werden und kleine o- der langsame Änderungen des Eingangssignales durch Aufsummieren aller bisherigen Fehler im Ausgangssignal Θ kontinuierlich mitberücksichtigt werden.The analog signal path up to the integrator 620 ensures that small disturbances which are superimposed on the input signal α are averaged by the integrator 620 and small or slow changes in the input signal are continuously taken into account by summing up all previous errors in the output signal mit.
Des Weiteren wird darauf hingewiesen, daß das Schaltverhalten der Steuerlδgik 670 in diesem Beispiel eine einfach vorzuführende Ausführung darstellt und daß der Integrator 620 und der Auf/Ab-Zähler 680 auch mit komplexeren Entscheidungskriterien gesteuert werden können und damit andere Folgen digitaler Werte generiert werden, die im Mittel aber ebenfalls dem Ein- gangssignal α entsprechen.Furthermore, it is pointed out that the switching behavior of the control logic 670 in this example represents a simple demonstration and that the integrator 620 and the up / down counter 680 can also be controlled with more complex decision criteria and thus other sequences of digital values are generated which but also correspond on average to the input signal α.
Als Beispiel sei hier auf den in Tabelle 2 veranschaulichten und in Fig. 11c und lld dargestellten Ablauf verwiesen. Der Aufbau der Spalten von Tabelle 2 entspricht demjenigen von Tabelle 1. In Fig. 11c sind die Werte von ε, Σ und δ und in Fig. lld die Werte von α, Θ und der Mittelwert von Θ über 10 Schritte auf der y-Achse aufgetragen, während auf der x-Achse die Zyklenschritte aufgetragen sind. Bei dem dargestellten Ablauf wird von identischen Voraussetzungen ausgegangen wie bei dem bezugnehmend auf Tabelle 1 beschriebenen Ablauf. Der einzige Unterschied liegt im Entscheidungskriterium für das Auf- und Ab-Steuern des Zählers 680. Hier wird die Zählrichtung e- benfalls aus dem Vorzeichen von δ bestimmt.As an example, reference is made here to the sequence illustrated in Table 2 and shown in FIGS. 11c and 11d. The The structure of the columns of Table 2 corresponds to that of Table 1. In Fig. 11c the values of ε, Σ and δ and in Fig. 11d the values of α, Θ and the mean of Θ are plotted over 10 steps on the y-axis , while the cycle steps are plotted on the x-axis. The procedure shown is based on the same conditions as the procedure described with reference to Table 1. The only difference lies in the decision criterion for the up and down control of counter 680. Here, too, the counting direction is determined from the sign of δ.
Tabelle 2Table 2
Figure imgf000035_0001
Figure imgf000036_0001
Figure imgf000037_0001
Figure imgf000035_0001
Figure imgf000036_0001
Figure imgf000037_0001
Zunächst wird aber nur .ein Schritt weiter gezählt und dann bei gleichbleibendem Vorzeichen von δ mindestens eine bestimmte Anzahl nw Schritte gewartet, bis erneut in derselben Richtung weiter gezählt wird. Im vorliegenden Beispiel ist die Anzahl der zu wartenden Schritte nw = 3. Behält δ längere Zeit das selbe Vorzeichen bei, so wird in diese Richtung weiter ge¬ zählt, da angenommen werden muß, daß sich α verändert hat. Auf diese Weise wird aber sichergestellt, daß Θn nur zwischen den beiden α nächstliegenden Werten Θi < α und Θi+1 > α hin und her schaltet .First, however, only one step is counted further and then, with the sign of δ remaining the same, at least a certain number n w steps are waited until counting continues again in the same direction. In the present example, the number of serviceable steps n w = 3. container δ longer time in the same sign, so ge in this direction ¬ is one, since it must be assumed that has changed α. In this way it is ensured that sichergestellt n only between the switches between the two closest α values Θi <α and Θi + 1> α.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, entspricht der Mittelwert der letzten 10 Werte von Θn wieder dem Eingangswert α = 14,7.As can be seen from Table 2, the mean value of the last 10 values of Θ n again corresponds to the input value α = 14.7.
Bezugnehmend auf Fig. 9 wird nun der die Mittelwertbildung durchführende Teil der Schaltung der Fig. 6 beschrieben. Dieser Teil umfaßt die Steuerlogik 670 und ein anpaßbares bzw. adaptives Digitalfilter 690, das an dem Ausgang 710 das gefilterte Umsetzergebnis ausgibt.The part of the circuit of FIG. 6 that performs the averaging will now be described with reference to FIG. 9. This part comprises the control logic 670 and an adaptable or adaptive digital filter 690, which outputs the filtered conversion result at the output 710.
Ist das Eingangssignal α längere Zeit konstant oder ändert es sich sehr langsam, so kann durch Mittelwertbildung über länge- re Zeit ein dem Eingangssignal α entsprechender Digitalwert mit hoher Genauigkeit zwischen den Θn-Werten linear interpoliert werden. Bei hoher Verfahrgeschwindigkeit bzw. schneller Änderung des Eingangssignals α ist es aber sinnvoll die Mittelungsdauer klein zu halten, damit die Totzeit des Regelungs- Systems klein bleibt. Durch das anpaßbare Digitalfilter 690 ist es möglich die Auflösung und den dynamischen Verlauf des gefilterten -Umsetzergebnisses Θ an die aktuelle Verfahrge- schwindigkeit anzupassen. Die Steuerlogik 670 empfängt die Informationen- über die Verfahrgeschwindigkeit beispielsweise ü- ber einen weiteren Eingang von außen oder verwendet die aus der Grob- und Feinquantisierung stammenden Komparatorsignal KI, KM und KL (Fig. 6), und steuert das Digitalfilter 690 entsprechend. Die Steuerlogik 690 steuert hierzu die momentane Filterlänge des Digitalfilters 690 dynamisch bzw. paßt diesel- be an die Verfahrgeschwindigkeit an. Zudem kann es vorgesehen sein, daß die Steuerlogik 670 weitere Informationen, wie z.B. durch den Benutzer vorgegebene Auflösungserfordernisse, e p- fängt, um das anpaßbare Digitalfilter 690 bzw. dessen momentane Filterlänge zu steuern.If the input signal α is constant for a longer period of time or changes very slowly, a digital value corresponding to the input signal α can be interpolated linearly with high accuracy between the durch n values over a longer period of time. With a high traversing speed or rapid change in the input signal α, however, it makes sense to keep the averaging time short so that the dead time of the control system remains short. The adaptable digital filter 690 makes it possible to adapt the resolution and the dynamic course of the filtered conversion result Θ to the current travel speed. The control logic 670 receives the information about the travel speed, for example, via a further input from the outside or uses the comparator signals KI, KM and KL (FIG. 6) originating from the coarse and fine quantization, and controls the digital filter 690 accordingly. For this purpose, the control logic 690 dynamically controls the current filter length of the digital filter 690 or adjusts the same to the travel speed. In addition, it can be provided that the control logic 670 further information, such as resolution requirements specified by the user, e p- catches to control the adaptable digital filter 690 or its current filter length.
Bezugnehmend auf Fig. 10 wird nun der Aufbau des 4-Quadranten- Addierers 610 von Fig. 6 näher erläutert. Vorab wird jedoch darauf hingewiesen, daß bei der Schaltung von Fig. 6 jeder Addierer verwendet werden kann, falls 'das Eingangssignal α bereits als ein einzelner analoger Wert vorliegt. Der 4- Quadranten-Addierer 610 ist vorgesehen, um das Fehlersignal ε aus dem aktuellen Digitalwert Θn und den zueinander in Quadratur stehenden Signalen Usin und Ucos zu ermitteln, die beispielsweise von einer Meßanordnung, wie sie in den Fig. la - lc gezeigt ist, erzeugt werden.The structure of the 4-quadrant adder 610 of FIG. 6 will now be explained in more detail with reference to FIG. 10. However, it is pointed out in advance that any adder can be used in the circuit of FIG. 6 if the input signal α is already present as a single analog value. The 4-quadrant adder 610 is provided in order to determine the error signal ε from the current digital value und n and the signals Usin and Ucos which are in quadrature with respect to one another, for example from a measuring arrangement as shown in FIGS , be generated.
Wie es in Fig. 10 zu ersehen ist, umfaßt der 4-Quadranten- Addierer 610 einen Sinus- 810 und einen Cosinus-Multiplizierer 800 sowie einen Addierer 820. Ein Eingang des Cosinus- Multiplizierers 800 ist mit einem Eingang 805 des 4- Quadranten-Addierers 610 verbunden, um das Eingangssignal Usin zu empfangen, wobei ein weiterer Eingang mit einem Eingang 807 des 4-Quadranten-Addierers 610 verbunden ist, um den aktuellen Digitalwert _ Θn zu empfangen. Der Ausgang des Cosinus- Multiplizierers 800 ist mit einem nichtinvertierenden Eingang des Addierers 820 verbunden, um das Ergebnis der Multiplikati- on von Usin und cos (Θn) auszugeben. Ein Eingang des Sinus- Multiplizierers 810 ist mit einem Eingang 815 des 4- Quadranten-Addierers 610 verbunden, um das Eingangssignal Ucos zu empfangen, wobei ein weiterer Eingang mit dem Eingang 807 des 4-Quadranten-Addierers 610 verbunden ist, um de "aktuellen Digitalwert Θn zu empfangen. Der Ausgang des Sinus- Multiplizierers 810 ist mit einem invertierenden Eingang des Addierers 820 verbunden, um das Ergebnis der Multiplikation von Ucos und sin(Θn) auszugeben. Der Addierer 820 gibt an einem Ausgang 830 das Fehlersignal klein ε aus. Der Wert des Fehlersignals ε nimmt folglich den Wert ε = U0(t) (sin(α) cos(Θ) - cos (α) sin(Θ)) an. Unter Verwendung der NäherungAs can be seen in FIG. 10, the 4-quadrant adder 610 comprises a sine 810 and a cosine multiplier 800 and an adder 820. An input of the cosine multiplier 800 is connected to an input 805 of the 4-quadrant Adder 610 connected to receive the input signal Usin, with another input being connected to an input 807 of the 4-quadrant adder 610 to receive the current digital value _ Θ n . The output of the cosine multiplier 800 is connected to a non-inverting input of the adder 820 in order to output the result of the multiplication of Usin and cos (Θ n ). An input of the sine multiplier 810 is connected to an input 815 of the 4-quadrant adder 610 to receive the input signal Ucos, and another input is connected to the input 807 of the 4-quadrant adder 610 to determine the "current" to receive digital value Θ n. the output of the sine multiplier 810 is connected to an inverting input of the adder 820 to the result of multiplication of Ucos and sin (Θ n) output. the adder 820 indicates a Output 830 the error signal small ε out. The value of the error signal ε consequently assumes the value ε = U 0 (t) (sin (α) cos (Θ) - cos (α) sin (Θ)). Using the approximation
E = sin(α) cos(Θ) - cos (α) sin(Θ) = sin (α-Θ) » α-ΘE = sin (α) cos (Θ) - cos (α) sin (Θ) = sin (α-Θ) »α-Θ
ergibt sich das somit erzeugte Fehlersignal ε = U0(t) • (α-Θ) .the resulting error signal is ε = U 0 (t) • (α-Θ).
Der 4-Quadranten-Addierer kann um eine Korrekturtabelle 840 ergänzt sein, die ebenfalls den aktuellen Digitalwert Θn empfängt. Deren Ausgang speist den Digital/Analog-Umsetzer 850, dessen Ausgang wiederum dem Addierer zugeführt wird. Die Korrekturtabelle 840 kann auch noch zusätzlich das zur anschließend beschriebenen Demodulation nötige Trägersynchronsignal 855 empfangen.The 4-quadrant adder can be supplemented by a correction table 840, which also receives the current digital value Θ n . Its output feeds the digital / analog converter 850, the output of which in turn is fed to the adder. The correction table 840 can also additionally receive the carrier synchronization signal 855 required for the demodulation described below.
Durch diese Anordnung können Fertigungstoleranzen der Multiplizierer 800 und 810 ausgeglichen werden. Die Korrekturtabelle 840 erzeugt aus dem Digitalwert 807 ein digitales Kor- rektursignal 860, das im Digital/Analog-Umsetzer 850 in eine analoges Signal umgesetzt wird, das das ε-Signa.1 um kleine Werte korrigiert. Dies ist im Besonderen wichtig, wenn die im Folgenden beschriebene Demodulation durchgeführt werden soll und die Faktoren der Multiplizierer 800 und 810 für Θn und -Θn zusammenpassen müssen. -With this arrangement, manufacturing tolerances of multipliers 800 and 810 can be compensated for. The correction table 840 generates a digital correction signal 860 from the digital value 807, which is converted into an analog signal in the digital / analog converter 850, which corrects the ε signal 1 by small values. This is particularly important if the demodulation described below is to be carried out and the factors of the multipliers 800 and 810 for Θ n and -Θ n have to match. -
Da Θ dem Eingangssignal α nachgeführt wird, ist für ein bestimmtes Θn in Verbindung mit einem bestimmten Zustand des Trägersynchronsignals 855 immer ein ähnlich großes Signal α zu erwarten und damit das Ergebnis ε immer mit dem selben Fehler behaftet. Deshalb genügt eine Korrektur von ε, eine Korrektur der Faktoren der Multiplizierer 800 und 810 ist nicht nötig. Die phasensensitive Demodulation eines mit beispielsweise U0 (t)=Uι-cos (ωt) modulierten Paars von Signalen läßt sich einfach bewerkstelligen, indem bei den Schritten, bei denen das Trägersignal Ui- cos (ωt) <0 ist, statt Θn ein -Θn rückgekoppelt wird. Durch die Sinusförmigkeit des Trägers nimmt aber die erreichbare Genauigkeit der linearen Interpolation bei konstanter Filterlänge ab. Es ist auch darauf zu achten, daß die Mittelung möglichst über ein ganze Anzahl von Perioden des Trä- gersignals erfolgt.Since Θ tracks the input signal α, a similarly large signal α can always be expected for a specific Θ n in connection with a specific state of the carrier synchronizing signal 855, and the result ε is therefore always subject to the same error. A correction of ε is therefore sufficient; a correction of the factors of the multipliers 800 and 810 is not necessary. The phase-sensitive demodulation of a pair of signals modulated, for example, with U 0 (t) = Uι-cos (ωt) can be easily accomplished by using statt n instead of Θ n in the steps in which the carrier signal Ui cos (ωt) is <0 -Θ n is fed back. Due to the sinusoidal shape of the carrier, the achievable accuracy of the linear interpolation decreases with a constant filter length. It is also important to ensure that the averaging takes place over a whole number of periods of the carrier signal.
Bezugnehmend auf Fig. 12 wird nun ein Umsetzer gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei Fig. 12 das Blockschaltbild des Umsetzers zeigt. Der Umsetzer ist zur Verwendung bei der Digitalisierung von Meßsignalen, wie sie beispielsweise von den in Fig. la - lc gezeigten Meßanordnungen erzeugt werden, vorgesehen.Referring now to FIG. 12, a converter according to a particular embodiment of the present invention will be described, FIG. 12 showing the block diagram of the converter. The converter is intended for use in the digitization of measurement signals, such as those generated by the measurement arrangements shown in FIGS. 1a-1c.
Der Umsetzer von Fig. 12 umfaßt zwei Eingänge 900 und 905 zum Empfangen der zueinander in Quadratur stehenden Eingangssignale Usin und Ucos und einen Eingang 910 zum Empfangen eines Taktsignals CLK. Es ist ferner ein Eingang 915 vorgesehen, an dem ein Signal UTräger mit Trägerfrequenz eingekoppelt wird. Die Schaltung umfaßt ferner einen Ausgang 920, an dem das ge- filterte Umsetzergebnis THETA_OUT ausgegeben wird, einen Ausgang 925, an dem die "Spannung UEPSILON ausgegeben wird, die dem Fehlersignal ε entspricht, und einen Ausgang 927, an dem die Spannung UINT anliegt, die dem Integrationswert entspricht. Die beiden Eingänge 900 und 905 sind jeweils mit dem Eingang eines DACs (DAC = Digital Analog Converter = Digi- tal/Analog-Wandler) 930 und 935 verbunden, deren Ausgänge mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang eines Summierers 940 verbunden sind. Der Ausgang des Summierers 940 ist mit dem Ausgang 925 des Umsetzers, einem Eingang eines invertierenden Integrators 945 und jeweils einem Eingang von drei Komparatoren 950, 955 und 960 verbunden. Der Ausgang des invertierenden Integrators 945 ist mit dem jeweils anderen Eingang der drei Komparatoren 950-960 sowie dem Ausgang 927 des Umsetzers verbunden. Die Ausgänge der Komparatoren 950-960 sind mit drei Eingängen einer Steuerlogik 965 verbunden, um Signale KI, KH und L an die Steuerlogik auszugeben. Bei der Steuerlogik 965 ist zum Empfangen eines Taktsignals CLK ein weiterer Eingang mit dem Eingang 910 des Umsetzers verbunden, sowie ein Ausgang mit einem Eingang des invertierenden Integrators 945 zum Übertragen eines Rücksetzsignals RESET_INT an den selben und ein weiterer Ausgang mit einem Schleifenzähler 970 zum Übertragen eines Zählersteuerungssignals CNT_CNTRL verbunden. Ein weiterer Eingang des Schleifenzählers 970 ist ebenfalls mit dem Eingang 910 verbunden, um das Taktsignal CLK zu empfangen. Der Ausgang des Schleifenzählers 970 ist sowohl mit einem Quadrantenselektor 975 sowie einem Eingang eines digitalen Interpolationsfilters 980 verbunden und gibt das in dem Schleifenzähler 970 gespeicherte Signal THETA_COUNT aus, das dem digitalen Ausgangswert entspricht. Das digitale Interpolationsfilter 980 gibt das gefilterte Signal THETA_OUT an den Ausgang "920 aus, das dem gefilterten digitalen Ausgangswert entspricht. Ein weiterer Eingang des Quadrantenselektors 975 ist mit dem Eingang 915 verbunden, wobei ein Vorzeichendetektor 985 dazwischengaschaltet ist, um ein das Vorzeichen des Signals UTräger angebendes Signal SYNCH_CMP an den Quadrantenselektor 975 auszugeben. Der Quadrantenselektor 975 ist an einem Ausgang mit jeweils einem weiteren Eingang der DACs 930 und 935 verbunden, um an dieselben die Signale THETA_CDAC und THETA_SDAC auszugeben. Der Ausgang THETA_CDAC des Quadrantenselektors 975 ist mit einem weiteren Eingang des DACs 930, der Ausgang THETA_SDAC mit einem weiteren Eingang des DACs 935 verbunden.The converter of FIG. 12 comprises two inputs 900 and 905 for receiving the input signals Usin and Ucos which are quadrature with respect to one another and an input 910 for receiving a clock signal CLK. An input 915 is also provided, to which a signal U carrier with carrier frequency is coupled. The circuit further comprises an output 920, at which the filtered conversion result THETA_OUT is output, an output 925, at which the " voltage UEPSILON, which corresponds to the error signal ε, and an output 927, at which the voltage UINT is applied, The two inputs 900 and 905 are each connected to the input of a DAC (Digital Analog Converter = DAC) 930 and 935, the outputs of which are connected to an inverting and a non-inverting input of a summer 940 The output of the totalizer 940 is connected to the output 925 of the converter, an input of an inverting integrator 945 and an input of three comparators 950, 955 and 960. The output of the inverting integrator 945 is connected to the other input of the three comparators 950-960 and the output 927 of the converter. The outputs of the comparators 950-960 are connected to three inputs of a control logic 965 in order to output signals KI, KH and L to the control logic. In the control logic 965, a further input is connected to the input 910 of the converter for receiving a clock signal CLK, as well as an output with an input of the inverting integrator 945 for transmitting a reset signal RESET_INT to the same and a further output with a loop counter 970 for transmitting one Counter control signal CNT_CNTRL connected. Another input of the loop counter 970 is also connected to the input 910 in order to receive the clock signal CLK. The output of the loop counter 970 is connected to both a quadrant selector 975 and an input of a digital interpolation filter 980 and outputs the signal THETA_COUNT stored in the loop counter 970, which corresponds to the digital output value. The digital interpolation filter 980 outputs the filtered signal THETA_OUT to the output " 920, which corresponds to the filtered digital output value. Another input of the quadrant selector 975 is connected to the input 915, with a sign detector 985 being interposed therebetween for the sign of the signal Ucarrier output signal SYNCH_CMP to the quadrant selector 975. The quadrant selector 975 is connected at one output to another input of the DACs 930 and 935 in order to output the signals THETA_CDAC and THETA_SDAC to the same DACs 930, the Output THETA_SDAC connected to another input of DAC 935.
Nachdem im Vorhergehenden bezugnehmend auf Fig. 12 der Aufbau der Schaltung beschrieben worden ist, wird im Folgenden die Funktionsweise derselben beschrieben.After the structure of the circuit has been described above with reference to FIG. 12, the mode of operation of the circuit is described below.
Zur Demodulation der Eingangssignale Usin und Ucos soll je nach Vorzeichen von UTräger ein zusätzlicher Faktor (-1) be- rücksichtigt werden. Die beiden multiplizierenden nichtlinearen DACs 930 und 935 sind außerdem identisch und realisieren die Multiplikation in zwei der vier Quadranten einer Sinusbzw. Cosinusfunktion. Da die Ansteuersignale THETA_SDAC und THETA_CDAC der beiden DACs nur den halben Wertebereich von THETA_COUNT überstreichen, ist für THETA_SDAC und THETA_CDAC die Auflösung NDAC notwendig, für THETA_COUNT jedoch die Auflösung NDAC + 1. Damit nun je nach Vorzeichen von UTräger und je nach Wertebereich von Θ die Faktoren sin(Θ) und cos (Θ) bzw. -sin(Θ) und -cos(Θ) eingestellt werden können, muß der Quadrantenselektor 975 THETA_SDAC und THETA_CDAC aus THETA_COUNT geeignet bestimmen.To demodulate the input signals Usin and Ucos, an additional factor (-1) should be taken into account, depending on the sign of U carrier. The two multiplying nonlinear DACs 930 and 935 are also identical and implement the multiplication in two of the four quadrants of a sine or. Cosine function. Since the control signals THETA_SDAC and THETA_CDAC of the two DACs only cover half the value range of THETA_COUNT, the resolution NDAC is necessary for THETA_SDAC and THETA_CDAC, however, the resolution NDAC + 1 is required for THETA_COUNT and therefore now depending on the sign of Ucarrier and depending on the value range of Θ Factors sin (Θ) and cos (Θ) or -sin (Θ) and -cos (Θ) can be set, the quadrant selector 975 THETA_SDAC and THETA_CDAC from THETA_COUNT must be determined appropriately.
Im Folgenden wird bezugnehmend auf Tabelle 3 für die Bestimmung von THETA_SDAC und THETA_CDAC aus THETA_COUNT ein Bei- spiel ausgeführt. Die Tabelle 3 umfaßt 6 Spalten, in denen von links nach rechts das THETA_COUNT, die Größe von UTräger, der für den DAC 930 erwünschte Faktor, das dafür einzustellende THETA_CDAC, der für den DAC 935 erwünschte Faktor und das dafür einzustellende THETA_SDAC aufgelistet sind. Es wird ange- nommen, daß die Multiplizierer einen Faktor cos (Θ) für 0° < Θ < 180° realisieren. Es ergibt sich die Berechnung der THETA CDAC aus THETA COUNT und UTräger nach der vierten Spalte der Tabelle 3 und die Berechnung von THETA_SDAC aus THETA_COUNT und UTräger nach der sechsten Spalte der Tabelle.An example is given below with reference to Table 3 for the determination of THETA_SDAC and THETA_CDAC from THETA_COUNT. Table 3 includes 6 columns, from left to right the THETA_COUNT, the size of the carrier, the factor desired for the DAC 930, the THETA_CDAC to be set for it, the factor desired for the DAC 935 and the THETA_SDAC to be set for it. It is assumed that the multipliers realize a factor cos (Θ) for 0 ° <Θ <180 °. The calculation of the THETA CDAC from THETA COUNT and U carrier results from the fourth column of table 3 and the calculation of THETA_SDAC from THETA_COUNT and U carrier according to the sixth column of the table.
Tabelle 3Table 3
Figure imgf000044_0002
Figure imgf000044_0002
Die zwei DACs 930 und 935 multiplizieren das Eingangssignal Usin mit +/-cos (THETA_COUNT) bzw. das Eingangssignal Ucos mit +/-sin(THETA_COUNT) . Bei dem Summierer 940 wird das Signal UEPSILON nach folgender Gleichung gebildet:The two DACs 930 and 935 multiply the input signal Usin by +/- cos (THETA_COUNT) or the input signal Ucos by +/- sin (THETA_COUNT). In the summer 940, the signal UEPSILON is formed according to the following equation:
ε(t) = U0 (t) • sign(UTräger) (sin(α)cos(Θ)- cos(c-)sin((3ε (t) = U 0 (t) • sign (U carrier) (sin (α) cos (Θ) - cos (c-) sin ((3rd
Figure imgf000044_0001
Dieses Signal wird von dem Zeitpunkt tr ab, da der Integrator 945 durch das Signal RESET__INT von der Steuerlogik 965 rückgesetzt worden ist, in dem invertierenden Integrator 945 integriert, wobei das Ergebnis der Integration als das Signal UINT an die Kompara'toren 950-960 ausgegeben wird. Die Zeitabhängigkeit des Signals UINT ist durch folgende Gleichung gegeben:
Figure imgf000044_0001
This signal is output 950-960 from the time tr from, as the integrator is reset 945 by the signal RESET__INT from the control logic 965, integrated in the inverting integrator 945 and the result of integration as the signal UINT to the Kompara factors' becomes. The time dependence of the signal UINT is given by the following equation:
Figure imgf000045_0001
Figure imgf000045_0001
Hierbei stellt Ti die Integrationszeitkonstante des Integrators 945 dar.Here Ti represents the integration time constant of the integrator 945.
Die Komparatoren 950-960 vergleichen UEPSILON mit UINT. Insbesondere vergleicht der Komparator 950 das Signal UINT mit dem Signal UEPSILON und zeigt durch das digitale Ausgangssignal KI an, ob UEPSILON größer als UINT ist. Der Komparator 950 überprüft, ob UEPSILON viel größer als UINT ist und aktiviert, falls dies der Fall ist, das digitale Ausgangssignal KH. Entsprechend überprüft der Komparator 960, ob UEPSILON viel klei- ner als UINT ist und aktiviert, falls dies der Fall ist, das digitale Ausgangssignal KL.The comparators 950-960 compare UEPSILON with UINT. In particular, the comparator 950 compares the UINT signal with the UEPSILON signal and uses the digital output signal KI to indicate whether UEPSILON is greater than UINT. The comparator 950 checks whether UEPSILON is much larger than UINT and, if it does, activates the digital output signal KH. Correspondingly, the comparator 960 checks whether UEPSILON is much smaller than UINT and, if this is the case, activates the digital output signal KL.
Der Schleifenzähler 970 kann seinen gespeicherten Wert bei jeder aktiven Taktflanke -des Taktsignals CLK ändern. Die Steuer- logik 965 steuert den Zustand des Zählers 970 und das Rücksetzen des Integrators 945 durch die Signale RESET_INT und CNT_CNTRL nach dem nächsten Takt in Abhängigkeit der Signale KI, KH und KL. In dem vorliegendem Fall steuert die Steuerlogik 965 den Schleifenzähler 970 derart, daß, falls a) das Signal KI aktiv ist, der Schleifenzähler 970 den gespeicherten Schleifenzählerwert THETA_COUNT inkrementiert oder ansonsten dekrementiert, wodurch das Signal THETA_COUNT eine Folge von Werten annimmt, die im Mittel dem Eingangssignal entsprechen.The loop counter 970 can change its stored value on each active clock edge of the clock signal CLK. The control logic 965 controls the state of the counter 970 and the resetting of the integrator 945 by means of the signals RESET_INT and CNT_CNTRL after the next clock cycle as a function of the signals KI, KH and KL. In the present case, control logic 965 controls loop counter 970 such that if a) the signal KI is active, the loop counter 970 increments or otherwise decrements the stored loop counter value THETA_COUNT, as a result of which the signal THETA_COUNT assumes a sequence of values which correspond on average to the input signal.
b) das Signal KL oder das Signal KH aktiv ist, d.h. der Betrag des Fehlersignals ε sehr groß ist, der Schleifenzähler 970 eine bestimmte Anzahl von Zählerwerten von dem gespeicherten Wert THETA_COUNT abzieht oder zu demselben dazuzählt, so daß hierdurch die Nachführung von THETA_COUNT an den Feinquantisie- rungsbereich erzielt wird.b) the KL signal or the KH signal is active, i.e. the amount of the error signal ε is very large, the loop counter 970 subtracts or counts a certain number of counter values from the stored value THETA_COUNT, so that THETA_COUNT is tracked to the fine quantization range.
In dem letzteren Fall aktiviert die Steuerlogik das Signal RESET_INT, da die Integration nicht benötigt wird. Hierdurch wird die Schleife zur Nachführung von THETA_COUNT schneller.In the latter case, the control logic activates the RESET_INT signal since the integration is not required. This makes the loop for tracking THETA_COUNT faster.
Eine Interpolation von Zwischenwerten wird bei Bedarf durch Mittelwertbildung in dem digitalen Filter 980 in Verbindung mit dem Integrator 945 durchgeführt. In dem Fall, daß UEPSILON einige Takte lang zu groß ist, aber nicht ausreicht, um das Umschalten von KI zu erreichen, sinkt UINT immer weiter ab. Die Fehler durch die Multiplikation kleinerer Auflösung NDAC bei den DACs 930 und 935 werden in dem Integrator 945 aufsum- miert und "zwar solange, bis das Signal KI umschaltet. Hierdurch wird UEPSILON vi-el kleiner, und in den meisten Fällen negativ. Als eine Folge nimmt UINT zu, bis das Signal K wieder umgeschaltet wird. Auf diese Weise oszilliert das digitale Signal THETA__COUNT, das eine feste Auflösung von NDAC+1 auf- weist, immer um die zwei dem Eingangssignal am nächstliegenden Werte herum. Aus der Häufigkeit des Auftretens der Werte kann jedoch durch eine Mittelwertbildung im Digitalfilter 980 das Signal THETA_COUNT mit einer höheren Auflösung als NDAC+1 gewonnen werden.Interpolation of intermediate values is carried out if necessary by averaging in the digital filter 980 in conjunction with the integrator 945. In the event that UEPSILON is too large for a few bars, but is not sufficient to switch AI, UINT continues to drop. The errors due to the multiplication of smaller resolution N D AC in the DACs 930 and 935 are summed up in the integrator 945 and “until the signal KI switches. As a result, UEPSILON vi-el becomes smaller and in most cases negative. As a consequence, UINT increases until the signal K is switched again, in this way the digital signal THETA__COUNT, which has a fixed resolution of NDAC + 1, always oscillates around the two values closest to the input signal the occurrence of the values can, however, be averaged in the digital filter 980 Signal THETA_COUNT with a higher resolution than N DAC +1 can be obtained.
Durch das Rücksetzen des Integrators 945 für große Fehlersig- nale UEPSILON, die bei schneller Änderung von α auftreten, ist gewährleistet, daß derselbe nicht übersteuert wird und in Sättigung geht. In diesem Fall steht der Integrator 945 sofort wieder zur Interpolation zur Verfügung, sobald sich das Signal THETA_COUNT wieder in dem richtigen Bereich bzw. dem Feinquan- tisierungsbereich befinden. Das Signal THETA_COUNT enthält die Informationen über das Eingangssignal mit der höchstmöglichen Abtastrate des Systems codiert. Hierdurch läßt sich durch das Interpolationsfilter 980 das Ausgangssignal THETA_OUT wahlweise unter einer Reduzierung der Abtastrate in der benötigten Auflösung N=NDAC+l+NιnterP ermitteln, wobei ιnterp die durch den Interpolationsfilter 980 hinzugewonnene Auflösung angibt.Resetting the integrator 945 for large error signals UEPSILON, which occur when α changes rapidly, ensures that it is not overdriven and goes into saturation. In this case, the integrator 945 is immediately available again for interpolation as soon as the signal THETA_COUNT is again in the correct range or the fine quantization range. The signal THETA_COUNT contains the information about the input signal coded with the highest possible sampling rate of the system. As a result, the interpolation filter 980 can optionally determine the output signal THETA_OUT by reducing the sampling rate in the required resolution N = N DAC + 1 + Nι n ter P , where ι nte rp indicates the resolution obtained by the interpolation filter 980.
Nachdem im vorhergehenden die Erfindung anhand von Beispielen beschrieben worden ist, wird darauf hingewiesen, daß, obwohl im vorhergehenden die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf zueinander in Quadratur stehende Signale beschrieben worden ist, die -.vorliegende Erfindung auf jegliche analoge Signale anwendbar ist, und dieselbe insbesondere dann vorteilhaft angewendet werden kann, falls schnelle Änderungen des Eingangssignals eine gröbere Quantisierung erlauben,- während ansonsten eine hohe Auflösung gefordert wird. In diesem Fall könnte der 4-Quadranten- Addierer von Fig. 6 durch einen normalen Addierer ersetzt werden.Having described the invention in the foregoing by way of example, it is pointed out that, although the apparatus and the method according to the present invention have been described above in relation to signals quadrature with respect to one another, the present invention applies to any analog Signals can be used, and the same can be used advantageously, in particular, if rapid changes in the input signal allow a coarser quantization, - while otherwise a high resolution is required. In this case, the 4-quadrant adder of Fig. 6 could be replaced with a normal adder.
Zudem ist es möglich, die zu dem Grobquantisierungsregelkreis gehörenden Komparatoren mehrfach und mit verschiedenen Vergleichswerten auszuführen, die sich betragsmäßig voneinander unterscheiden, wodurch eine an die Größe des Fehlersignals angepaßte Nachführung realisiert werden kann. In addition, it is possible to carry out the comparators belonging to the coarse quantization control circuit several times and with different comparison values that differ from one another in terms of amount distinguish, which can be adapted to the size of the error signal tracking.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Umwandeln eines analogen Eingangssignals (α) in eine Sequenz von digitalen Ausgangswerten (Θn) , mit folgenden Schritten:1. A method for converting an analog input signal (α) into a sequence of digital output values (Θ n ), with the following steps:
a) Bilden eines ersten Differenzwertes (ε) zwischen dem aktuellen digitalen Ausgangswert (Θn) und dem analogen Eingangssignal (α) .a) Forming a first difference value (ε) between the current digital output value (Θ n ) and the analog input signal (α).
b) Überprüfen, ob der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) einen vorbestiir-mten Betrag (S) überschreitet;b) checking whether the amount of the first difference value (ε) exceeds a predetermined amount (S);
c) falls der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) den vorbestimmten Betrag überschreitet, Nachregeln des digitalen Ausgangswertes (Θn) unter Verwendung eines bestimmten Regelwertes;c) if the amount of the first difference value (ε) exceeds the predetermined amount, readjusting the digital output value (Θ n ) using a specific control value;
d) falls der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) den vorbestimmten Betrag nicht überschreitet,d) if the amount of the first difference value (ε) does not exceed the predetermined amount,
dl) Bilden eines zweiten Differenzwertes (δ) zwischen dem ersten Differenzwert (ε) und einem In- ; tegrationswert (Σ) , der aus der Summe der ersten Differenzwerte (ε) besteht, seit die Überprüfung in dem Schritt d) durchgehend ergab, daß der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) den vorbestimmten Betrag nicht überschreitet;dl) forming a second difference value (δ) between the first difference value (ε) and an In ; tegrationswert (Σ), which consists of the sum of the first difference values (ε), since the check in step d) consistently showed that the amount of the first difference value (ε) does not exceed the predetermined amount;
d2) Vergleichen des zweiten Differenzwertes mit ei¬ nem vorbestimmten Schwellenwert; d3) Inkrementieren oder De rementieren des digitalen Ausgangswertes abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs in dem Schritt d2) .d2) comparing the second difference value ei with ¬ nem predetermined threshold; d3) incrementing or decrementing the digital output value depending on the result of the comparison in step d2).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Nach- regelns im Schritt (c) das Addieren oder Subtrahieren einer Mehrzahl von vorbestimmten Zählerwerten zu bzw. von dem aktuellen digitalen Ausgangswert (Θn) abhängig von dem Vorzeichen des ersten Differenzwertes (ε) aufweist, bis der Ausgangswert (Θn) den Wert des Eingangssignal (α) ü- berquert, oder der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) den vorbestimmten Betrag (S) unterschreitet.2. The method according to claim 1, wherein the step of readjusting in step (c) is the addition or subtraction of a plurality of predetermined counter values to or from the current digital output value (Θ n ) depending on the sign of the first difference value (ε ) until the output value (Θ n ) crosses the value of the input signal (α) or the amount of the first difference value (ε) falls below the predetermined amount (S).
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt d3) folgende Teilschritte aufweist:3. The method according to claim 1 or 2, wherein step d3) has the following substeps:
d3a) falls der zweite Differenzwert (δ) größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, Inkrementieren des digitalen Ausgangswertes (Θn) ; undd3a) if the second difference value (δ) is greater than the predetermined threshold value, incrementing the digital output value (Θ n ); and
d3b) falls der zweite Differenzwert (δ) kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist, Dekrementieren des digitalen Ausgangswertes (Θn) .d3b) if the second difference value (δ) is smaller than the predetermined threshold value, decrementing the digital output value (Θ n ).
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt d3a) folgenden Teilschritt aufweist:4. The method according to claim 3, wherein step d3a) has the following substep:
Unterdrücken des Inkrementierens für eine vorbestimmte Anzahl von Malen, seit der Vergleich in dem Schritt d2) durchgehend ergab, daß der zweite Differenzwert (δ) größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, und bei dem der Schritt d-jb) folgenden Teilschritt aufweist:Suppressing the increment for a predetermined number of times since the comparison in step d2) continuously showed that the second difference value (δ) is larger than the predetermined threshold value, and in which step d-jb) has the following substep:
Unterdrücken des Dekrementierens für eine vorbestimmte An- zahl von Malen, seit der Vergleich in dem Schritt d2) durchgehend ergab, daß der zweite Differenzwert (δ) kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist.Suppressing decrementing for a predetermined number of times since the comparison in step d2) continuously showed that the second difference value (δ) is smaller than the predetermined threshold value.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner folgenden Schritt aufweist:5. The method according to any one of claims 1 to 4, further comprising the step of:
Bilden eines Mittelwertes bezüglich einer variierbaren Anzahl von aufeinanderfolgenden Ausgangswerten (Θn) ; undForming an average value with respect to a variable number of successive output values (Θ n ); and
Ausgeben des Mittelwertes als gefilterten Ausgangswert in der Sequenz von Ausgangswerten (Θn) anstatt den aufeinanderfolgenden Ausgangswerten (Θn) .Output of the mean value as a filtered output value in the sequence of output values (Θ n ) instead of the successive output values (Θ n ).
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner folgenden Schritt aufweist:6. The method of claim 5, further comprising the step of:
Anpassen der variierbaren Anzahl an eine vorgegebene Ausgaberate.Adapting the variable number to a given output rate.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt a) des Bildens des ersten Differenzwertes folgende Schritte aufweist:7. The method according to any one of the preceding claims, wherein step a) of forming the first difference value comprises the following steps:
Empfangen eines ersten und zweiten Eingangssignals (Usin, Ucos) , die zueinander in Quadratur stehen;Receiving a first and a second input signal (Usin, Ucos) which are in quadrature with one another;
• Multiplizieren des ersten Eingangssignals (Usin) mit dem Cosinus des digitalen Ausgangswerts (Θn) ; Multiplizieren des zweiten Eingangssignals (Ucos) mit dem Sinus des digitalen Ausgangswerts (Θn) ;Multiplying the first input signal (Usin) by the cosine of the digital output value (Θ n ); Multiplying the second input signal (Ucos) by the sine of the digital output value (Θ n );
Addieren der Ergebnisse der Multiplikationen; undAdding up the results of the multiplications; and
Ausgeben der Summe als den ersten Differenzwert (ε) .Output the sum as the first difference value (ε).
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem zur Multiplikation der negative digitale Ausgangswert (Θn) verwendet wird, wenn das Trägersignal (UTräger) , mit dem das erste und zweite8. The method according to claim 7, in which the negative digital output value (Θ n ) is used for multiplication if the carrier signal (U carrier) with which the first and second
Eingangssignal (Usin, Ucos) moduliert ist, kleiner Null ist .Input signal (Usin, Ucos) is modulated, is less than zero.
9. Vorrichtung zum Umwandeln eines analogen Eingangssignals (α) in eine Sequenz von digitalen Ausgangswerten (Θn) , mit9. Device for converting an analog input signal (α) into a sequence of digital output values (Θ n ), with
einer Einrichtung (610) zum Bilden eines ersten Differenzwertes (ε) zwischen dem aktuellen digitalen Ausgangswert (Θn) und dem analogen Eingangssignal (α) ;means (610) for forming a first difference value (ε) between the current digital output value (Θ n ) and the analog input signal (α);
einer Einrichtung (640, 650; 655, 660) zum Überprüfen, ob der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) einen vorbestimmten Betrag (S) überschreitet;means (640, 650; 655, 660) for checking whether the amount of the first difference value (ε) exceeds a predetermined amount (S);
einer Einrichtung (670, 680; 965, 970) zum Nachregeln des digitalen Ausgangswertes (Θn) unter Verwendung eines vorbestimmten Regelwertes, falls der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) den vorbestimmten Betrag (S) überschreitet;means (670, 680; 965, 970) for readjusting the digital output value (Θ n ) using a predetermined control value if the amount of the first difference value (ε) exceeds the predetermined amount (S);
einer Einrichtung (620,630; 945, 950) zum Bilden eines zweiten Differenzwertes zwischen dem ersten Differenzwert (ε) und einem Integrationswert (Σ) , der aus der Summe der ersten Differenzwerte (ε) besteht, seit die Überprüfung durch die Einrichtung zum Überprüfen (640, 650; 955, 960) durchgehend ergab, daß der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) den vorbestimmten Betrag (S) nicht überschreitet, zum Vergleichen des zweiten Differenzwertes mit einem vorbestimmten Schwellenwert, und zum Inkrementieren oder Dekrementieren des digitalen Ausgangswertes (Θn) abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs.means (620, 630; 945, 950) for forming a second difference value between the first difference value (ε) and an integration value (Σ), which consists of the sum of the first difference values (ε), since the check by the checking device (640, 650; 955, 960) consistently showed that the amount of the first difference value (ε ) does not exceed the predetermined amount (S), for comparing the second difference value with a predetermined threshold value, and for incrementing or decrementing the digital output value (Θ n ) depending on the result of the comparison.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Einrichtung (670, 680; 965, 970) zum Nachregeln ferner einer Einrichtung zum Addieren oder Subtrahieren einer Mehrzahl von vorbestimmten Zählerwerten zu bzw. von dem aktuellen digi- talen Ausgangswert (Θn) abhängig von den Vorzeichen des ersten Differenzwertes (ε) aufweist, bis der digitale Ausgangswert (Θn) das Eingangssignal (α) überquert, oder der Betrag des ersten Differenzwertes den vorbestimmten Betrag (S) unterschreitet.10. The device according to claim 9, wherein the device (670, 680; 965, 970) for readjusting a device for adding or subtracting a plurality of predetermined counter values to or from the current digital output value (Θ n ) as a function of has the sign of the first difference value (ε) until the digital output value (Θ n ) crosses the input signal (α) or the amount of the first difference value falls below the predetermined amount (S).
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, bei .der die Einrichtung zum Inkrementieren oder Dekrementieren folgende Merkmale aufweist:11. The device as claimed in claim 9 or 10, in which the device for incrementing or decrementing has the following features:
eine Einrichtung .zum Inkrementieren des digitalen Ausgangswertes (Θn) , falls der zweite Differenzwert (δ) größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist; undmeans for incrementing the digital output value (Θ n ) if the second difference value (δ) is greater than the predetermined threshold value; and
eine Einrichtung zum Dekrementieren des digitalen Aus- gangswertes (Θn) , falls der zweite Differenzwert (δ) kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist. means for decrementing the digital output value (Θ n ) if the second difference value (δ) is less than the predetermined threshold value.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Einrichtung zum Inkrementieren folgendes Merkmal aufweist:12. The apparatus of claim 11, wherein the means for incrementing comprises:
eine Einrichtung zum Unterdrücken des Inkrementierens für eine vorbestimmte Anzahl von Malen, seit der Vergleich durch die Einrichtung zum Vergleichen durchgehend ergab, daß der zweite Differenzwert (δ) größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist,means for suppressing the increment for a predetermined number of times since the comparison by the means for comparison continuously revealed that the second difference value (δ) is greater than the predetermined threshold value,
und bei der die Einrichtung zum Dekrementieren folgendes Merkmal aufweist:and in which the device for decrementing has the following feature:
eine Einrichtung zum Unterdrücken des Dekrementierens für eine vorbestimmte Anzahl • von Malen, seit der Vergleich durch die Einrichtung zum Vergleichen durchgehend ergab, daß der zweite Differenzwert (δ) kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist.means for suppressing decrementing for a predetermined number of times since the comparison by the means for comparison continuously revealed that the second difference value (δ) is less than the predetermined threshold value.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, die ferner folgendes Merkmal aufweist:13. The device according to one of claims 9 to 12, further comprising:
eine Einrichtung (690; 980) zum Bilden eines Mittelwertes bezüglich eines variierbaren Anzahl von aufeinanderfolgenden Ausgangswerten (Θn) und zum Ausgeben des Mittelwertes als gefilterten Ausgangswert anstatt der aufeinanderfolgenden Ausgangswerte (Θn) ;means (690; 980) for averaging a variable number of successive output values (Θ n ) and for outputting the mean value as a filtered output value instead of the successive output values (Θ n );
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, die ferner folgendes Merkmal aufweist:14. The apparatus of claim 13, further comprising:
Einrichtung (670) zum Anpassen der variierbaren Anzahl an eine vorgegebenen Ausgaberate. Means (670) for adjusting the variable number of a predetermined output rate.
15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der die Einrichtung (610) zum Bilden des ersten Differenzwertes (ε) ein erstes und ein zweites Eingangssignal (Usin, Ucos) empfängt, die zueinander in Quadratur stehen, und folgende Merkmale aufweist:15. Device according to one of claims 9 to 14, in which the device (610) for forming the first difference value (ε) receives a first and a second input signal (Usin, Ucos), which are in quadrature with one another, and has the following features:
einen Cosinus-Multiplizierer- (800) zum Empfangen des ersten Eingangssignals (Usin) und zum Multiplizieren desselben mit dem Cosinus des digitalen Ausgangswerts (Θn) ;a cosine multiplier (800) for receiving the first input signal (Usin) and multiplying it by the cosine of the digital output value (Θ n );
einen Sinus-Multiplizierer (810) zum Empfangen des zweiten Eingangssignals (Ucos) und zum Multiplizieren desselben mit dem Sinus des digitalen Ausgangswerts (Θn) ; unda sine multiplier (810) for receiving the second input signal (Ucos) and for multiplying it by the sine of the digital output value (Θ n ); and
einen Addierer (820) , der die Ergebnisse der Multiplikation des Cosinus- und Sinus-Multiplizierers (800, 810) empfängt, zum Addieren derselben und Ausgeben der Summe als den ersten Differenzwert (ε) .an adder (820) receiving the results of multiplying the cosine and sine multiplier (800, 810) to add them and output the sum as the first difference value (ε).
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der der Sinus- und der Cosinus-Multiplizierer (800, 810) den negativen digitalen Ausgangswert (Θn) zur Multiplikation verwenden, wenn das Trägersignal (UTräger) , mit dem das erste und zweite Eingangssignal (Usin, Ucos) moduliert ist, kleiner Null ist.16. The apparatus of claim 15, wherein the sine and cosine multiplier (800, 810) use the negative digital output value (Θ n ) for multiplication when the carrier signal (U carrier) with which the first and second input signal (Usin , Ucos) is modulated, is less than zero.
17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, die in einer Standard-CMOS-Technologie implementiert ist. 17. The device according to one of claims 9 to 16, which is implemented in a standard CMOS technology.
PCT/EP2001/009750 2000-08-31 2001-08-23 Method and device for converting an analog input signal into a sequence of digital output values WO2002019532A2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2001282120A AU2001282120A1 (en) 2000-08-31 2001-08-23 Method and device for converting an analog input signal into a sequence of digital output values

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10042908.4 2000-08-31
DE10042908 2000-08-31
DE10052152A DE10052152C1 (en) 2000-08-31 2000-10-20 Analogue/digital conversion method e.g. for machine tool position sensor signals uses comparison method for correction of digital output value dependent on analogue input signal
DE10052152.5 2000-10-20

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2002019532A2 true WO2002019532A2 (en) 2002-03-07
WO2002019532A3 WO2002019532A3 (en) 2003-10-09

Family

ID=26006880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2001/009750 WO2002019532A2 (en) 2000-08-31 2001-08-23 Method and device for converting an analog input signal into a sequence of digital output values

Country Status (2)

Country Link
AU (1) AU2001282120A1 (en)
WO (1) WO2002019532A2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9722626B2 (en) 2015-01-05 2017-08-01 General Electric Company Method and system using computational sigma-delta modulators

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4590459A (en) * 1984-05-15 1986-05-20 Bbc Brown, Boveri & Company, Ltd. Analog/digital converter
EP0414401A2 (en) * 1989-08-24 1991-02-27 Schlumberger Technologies Limited Analogue-to-digital converter

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4590459A (en) * 1984-05-15 1986-05-20 Bbc Brown, Boveri & Company, Ltd. Analog/digital converter
EP0414401A2 (en) * 1989-08-24 1991-02-27 Schlumberger Technologies Limited Analogue-to-digital converter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9722626B2 (en) 2015-01-05 2017-08-01 General Electric Company Method and system using computational sigma-delta modulators

Also Published As

Publication number Publication date
AU2001282120A1 (en) 2002-03-13
WO2002019532A3 (en) 2003-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010010560B3 (en) Method for determining the fine position value of a movable body
DE3711062C2 (en)
DE3130878C2 (en)
EP1959570B1 (en) Inductive proximity sensor
WO1990015968A1 (en) Process for generating a voltage proportional to a rotation speed with a resolver and circuit for implementing the process
DE2553806C3 (en) Circuit arrangement for digital measurement of the period of an alternating voltage
DE4225819C2 (en) Measuring circuit for use in displaying measured frequency values
EP0610990B1 (en) Digital phase-locked loop
DE69733753T2 (en) Method and device for digital conversion of angles
DE10052152C1 (en) Analogue/digital conversion method e.g. for machine tool position sensor signals uses comparison method for correction of digital output value dependent on analogue input signal
DE102008025408A1 (en) Control or regulating method for a converter
EP0729583A1 (en) Phase-measurement device
EP3124920B1 (en) Positioning device and method for the operation thereof
EP2580599B1 (en) Speed sensor comprising a costas loop
DE4409708A1 (en) Circuit arrangement for processing and A / D conversion of an analog signal
DE19502276C2 (en) Interpolation method and high-resolution digital interpolation device
WO2002019532A2 (en) Method and device for converting an analog input signal into a sequence of digital output values
DE19544948C2 (en) Digital interpolation device with amplitude and zero position control of the input signals
EP0325981B1 (en) Circuitry with position or angle dependent signal generators
DE19938802B4 (en) Method and circuit arrangement for interpolation
EP2787644B1 (en) Digital signal processing device for an angle detector
EP0980000A1 (en) Device for determining the rotational position, speed and/or direction of the rotor of an electric motor
DE3513343C2 (en)
DE19934478A1 (en) Digital interpolator for measuring distances, or angles, has phase correction element between analogue-digital converters and co-ordinate transformation element to correct phase of digital input signals
WO2003002950A1 (en) Method and device for preparing a sensor signal of a position sensor for transmission to an evaluation unit

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ PH PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TR TT TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP