Verfahren und Anordnung zum hochauflösenden Digitalisieren eines Signales

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hochauflösenden Digitalisieren eines Signals mit einem grossen Dynamikbereich mittels eines Analog/Digital-Wandlers (A/D-Wandler). Zum Digitalisieren könnte ein Wandler mit genügend hoher Bitzahl verwendet werden, der den gesamten Messbereich mit der erforderlichen hohen Auflösung abdeckt. Das würde aber zu unvertretbar langen Umwandlungszeiten führen und einen sehr teuren A/D-Wandler erfordern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem schnell und kostengünstig die Digitalisierung durchgeführt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Lösung besteht dabei darin, dass der Messbereich in kleinere Messabschnitte eingeteilt wird und dass ein A/D-Wandler mit einer verminderten Bitzahl verwendet wird,dessen der Bitzahl entsprechendes Messgebiet der Grösse der gewählten Messabschnitte entspricht. Das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers steuert dabei einen Messabschnittswähler derart, dass sich das umzuwandelnde Signal in dem gewählten Messabschnitt befindet. Dabei können an den Schnittstellen zwischen den einzelnen Messabschnitten noch Diskontinuitäten im Ausgangssignal entstehen, da die Genauigkeit, mit der die Lage des Messabschnittes im totalen Messbereich eingestellt werden kann, nicht der hochauflösenden Genauigkeit des A/D-Wandlers entspricht. Durch die Ueberlappung der Messabschnitte ist zunächst einmal sichergestellt, dass das umzuwandelnde Signal sicher in einen Messabschnitt fällt. Die Diskontinuitäten können weitgehend eliminiert werden, indem zumindest aus den beiden letzten Informationen des A/D-Wandlers ein neuer digitaler Signalwert extrapoliert wird. Im einfachsten Fall kann es sich um eine liniare Extrapolation zwischen den letzten beiden Werten handeln. Es können aber auch mehrere Informationswerte verwendet werden und ein Algorythmus, der dem tatsächlichen Kurvenverlauf besser angepasst ist. Liegt die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers im Verhältnis zum Frequenzbereich des umzuwandelnden Signales ausreichend hoch, so kann der Fehler zwischen dem tatsächlichen Signalwert und dem aus den vorherigen extrapolierten hinreichend klein gemacht werden. Der extrapolierte Signalwert stellt damit eine Referenz für die folgenden Signalwerte in dem neuen Messabschnitt dar.

Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es also mit schnellen und preiswerten A/D-Wandlern möglich, bei praktisch gleichbleibend hoher Auflösung die Digitalisierung eines Signales über den gesamten Messbereich vorzunehmen. Der extrapolierte Signalwert kann dabei direkt als erster Wert im geänderten Messabschnitt verwendet werden, d.h. also an der eigentlich mit Unsicherheiten hinsichtlich der Messgenauigkeit behafteten Schnittstelle.

Die konsekutiven Differenzen der Signale können damit unabhängig von der absoluten Lage des Messabschnittes im totalen Messbereich gemessen werden. Das gewünschte Ausgangssignal, d.h. der gewünschte Digitalwert, wird durch Addition dieser Differenzen gewonnen, jedoch ohne absolute Referenz.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass der unmittelbar nach dem Ändern des Messabschnittes gemessene und nicht extrapolierte Signalwert Ausgangswert für die nächste Differenzbildung ist.

Zur Absolutwertmessung kann der mögliche Fehler an den Schnittstellen zwischen Messabschnitten dadurch eliminiert werden, dass die Differenz aus dem extrapolierten Signalwert und dem ersten im neuen Messabschnitt erfassten Messwert gebildet und zur Korrektur der Signalwerte dieses Messabschnittes verwendet wird. Der Absolutwert wird aus diesem korrigierten Signalwert in Verbindung mit dem Wert über die Lage des Abschnittes erhalten.

In einer vorteilhaften Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Einstellen des Messabschnittes ein Messabschnittswähler mit einem Differenzverstärker und einem Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) vorgesehen ist, dass auf den einen Eingang des Differenzverstärkers das umzuwandelnde Signal und auf den anderen Eingang das Ausgangssignal des D/A-Wandlers gelangt, der beim Ueberschreiten eines Grenzwertes im Ausgangssignal des A/D-Wandlers um der ' geforderten Messabschnittsänderung entsprechende bit umschaltet. Hierbei ist ebenfalls wieder vorteilhaft realisiert, dass der verwendete D/A-Wandler eine wesentlich geringere Auflösung haben muss als der A/D-Wandler. Die Auflösung des D/A-Wandlers braucht nur den gewählten Messabschnitten zu entsprechen. Der zunächst mögliche Fehler, der damit in Kauf genommen werden muss, beruht darin, dass prinzipiell die D/A-Wandler mit einem Fehler, der etwa die Hälfte des am wenigsten signifikanten bit entspricht, behaftet sind. Ohne Ausnützung des erfindungsgemässen Verfahrens wäre eine derartige Schaltung daher nicht sinnvoll.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile kommen besonders dann zum Ausdruck, wenn eine Logikstufe vorgesehen ist, auf die das Ausgangssignal des A/D-Wandlers gegeben ist, wenn die Logikstufe die erforderlichen Werte speichert, die Differenzen und extrapolierten Signalwerte berechnet, diese gegebenenfalls fortlaufend addiert und/oder zur Korrektur der umzuwandelnden Werte verwendet und in Abhängigkeit von dem eingebbaren Grenzwert den D/A-Wandler zur Messabschnittsumschaltung ansteuert und wenn sie gegebenenfalls den Wert des D/A-Wandlers zur Bildung eines absoluten Digitalsignalwertes verwendet. All diese Massnahmen können besonders vorteilhaft mit Hilfe eines Mikroprozessors vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der A/D-Wandler über den D/A-Wandler kallibriert ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von 5 Figuren näher beschrieben und erläutert. Dabei zeigen

• Fig. 1 in einem Blockschaltbild schematisch eine Anordnung zum digitalisieren eines Signals,
• Fig. 2 im unteren Teil einen angenommenen analogen Signalverlauf über der Zeit und im oberen Teil in einem vergrösserten Aussschnitt die mögliche Lage und Veränderung der Messabschnitte,
• Fig. 3 in einem entsprechenden Aussschnitt die theoretische und praktische Lage der Messabschnitte und der Messpunkte,
• Fig. 4 in etwas detaillierter Form die Anordnung gemäss Fig.1 und schliesslich
• Fig. 5 ein Flussdiagram zur Kontrolle der in der Anordnung gemäss Fig. 4 ablaufenden Vorgänge.

Im Blockschaltbild gem. Fig. 1 ist mit 1 ein A/D-Wandler bezeichnet, dem das umzuwandelnde Signal über einen Messabschnittswähler 2 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers gelangt auf eine Logikstufe 3, die zum einen den Messabschnittswähler 2 ansteuert und zum anderen das gewünschte Digitalsignal über eine Ausgangsleitung 4 abgibt.

In Fig. 2 ist im unteren Teil über der Zeit ein möglicher analoger Signalverlauf aufgetragen. Die Strecke 5 soll dabei den totalen Messbereich, d.h. den Dynamikbereich andeuten. Die daneben im gleichen Massstab dargestellte Säule 6 gibt die Grösse des verwendeten Messabschnittes wieder. Im mittleren Bereich des Signales sind eine Reihe von aneinanderstossenden Messabschnitten entlang der Kurve dargestellt. Wie man bereits daraus ersehen kann, überlappen sich die einzelnen Messabschnitte.

Im oberen Teil der Fig. 2 ist dieser Abschnitt vergrössert dargestellt. Der Einfachheit halber ist ein Abschnitt gewählt, in dem das umzuwandelnde Signal einen liniaren Verlauf hat. Der linke Messabschnitt sei beipielsweise mit "n" bezeichnet. Die vier folgenden mit "n+1" und der letzte rechte Messabschnitt "n+2". Wie man in diesem vergrösserten Ausschnitt sehen kann, geschieht ein Wechsel zum nächsten Messabschnitt jeweils, wenn der Messwert in den Grenzbereich - gestrichelt angedeutet - des Messabschnittes gelangt. Die unterschiedlichen Messabschnitte überlappen sich in diesem Ausführungsbeispiel um jeweils ein Viertel der Grösse der Messabschnitte. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Verschiebungen der Messabschnitte möglich. Ist das umzuwandelnde Signal kleiner als 1/4 der Grösse des Messabschnittes oder grösser als 3/4 dieser Grösse,so wird der Messabschnittswähler einen anderen Messabschnitt wählen, der entweder eine Stufe nach unten oder eine Stufe nach oben verschoben ist. Solange sich das Signal im mittleren Bereich der Messabschnitte bewegt, werden diese unverändert beibehalten.

Anhand der folgenden Fig. 3 soll noch einmal das erfindungsgemässe Verfahren etwas näher erläutert werden. Dargestellt sind wiederum drei Messabschnitte 7 - 9 sowie drei Signalwerte S_n-1, ^S_n und S_n+1. Angenommen ist wieder ein liniarer Signalverlauf. Angenommen ist weiterhin, dass der Messwert S_n im Grenzbereich des Messabschnittes 8 liegt und daher ein Wechsel des Messabschnittes vorgenommen wird. Gestrichelt ist der theoretisch korrekt verschobene Messabschnitt 9 dargestellt. Mit durchgezogenen Linien hingegen ist die durch den möglichen Fehler des Messabschnittwähler hervorgerufene tatsächliche Lage des Messabschnittes 9 dargestellt. Mit S_e ist der extrapolierte Signalwert bezeichnet, der auch unter Vernachlässigung des Fehler bei der Extrapolation dem tatsächlichen Signalwert entspricht. Mit S ist der durch den fehlerhaft liegenden Messabschnitt gemessene Signalwert bezeichnet, der erheblich von dem tatsächlichen Signalwert abweichen kann. Mit sind hier zusätzlich die Differenzen zwischen benachbarten Signalwerten angegeben. deutet den Fehler in der Lage des geänderten Messabschnittes an.

Wie man dieser Figur 3 anschaulich entnehmen kann, kann der zu bestimmende Signalwert entweder dadurch erhalten werden, dass die mit bezeichneten Differenzen zwischen benachbarten Signalwerten ständig addiert werden oder dass die mit bezeichnete Differenz zwischen dem extrapolierten und dem tatsächlich gemessenen Signalwert bestimmt und zur jeweiligen Korrektur der im neu eingestellten Messabschnitt erhaltenen Signalwerte herangezogen wird.

In der folgenden Fig. 4 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. In dem konkreten Beispiel soll eine Digitalisierung mit einer Auflösung von 18 bit vorgenommen werden unter Verwendung eines 8 bit A/D-Umwandlers und eines Messabschnittwählers, der aus einem 11 bit D/A-Wandler 10 und einem Differenzverstärker 11 besteht. Das höchst signifikante bit des D/A-Umwandlers bestimmen die Wahl des Messabschnittes dadurch, dass der Wert des D/A-Wandlers jeweils um einen Schritt verändert wird, der der Hälfte des Messgebietes des A/D-Wandlers entspricht. Im rechten unteren Teil der Fig. 4 sind als zwei Säulen der A/D-Wandler 1 und der D/A-Wandler 10 noch einmal dargestellt. Zusammen überdecken die beiden Wandler 18 bit, was der geforderten Auflösung über den gesamten Dynamikbereich entspricht. Das am wenigsten signifikante bit des D/A-Wandlers 10 liefert wegen der sehr viel höheren Referenzspannung an diesem Wandler einen Analogwert, der eine Niveauverschiebung des umzuwandelnden Signales um einen Betrag im Differenzverstärker 11 hervorruft, der genau dem gewünschten Viertel des Messgebietes des A/D-Umwandlers entspricht. Das höchst signifikante bit des A/D-Wandlers 1 bestimmen dabei über die Logikstufe 3 wann und in welcher Richtung der Wert des D/A-Wandlers und damit der Messabschnitt geändert werden soll.

Figur 5 zeigt in einem Flussdiagranm die Kontrollstufen, die die Logikstufe gem. Fig. 4 durchfuhrt. In einem ersten Schritt werden die Informationen (S_n) aus dem A/D-Wandler eingelesen, wie im Block 12 angedeutet. Liegt der Wert S_n ausserhalb des Grenzbereiches des A/D-Wandlers, so wird aus diesem Wert, wie in dem Block 13 angegeben, direkt eine neue Differenz zwischen diesem Wert ^S_n und dem vorhergehenden Wert S_n-1 gebildet. Danach wird eine Umorganisation derart vorgenommen, dass der zuletzt ein^ge^gangene Wert S_n der neue Wert S_n-1 wird. Kommt im nächsten Takt wieder ein Wert S_n so wird erneut die Differenz gebildet und so weiter. Wie durch den Block 14 angegeben, werden diese Differenzen beispielsweise in einer Pufferstufe addiert. Ueber eine weitere Stufe 15 wird das jeweilige Signal dieser Pufferstufe, das der Summe aller Differenzen und damit dem Wechselspannungsanteil des umzuwandelnden Signales entspricht, ausgesendet. Ueber die Leitung 16 wird danach das Einlesen eines neuen Wertes aus dem A/D-Wandler ausgelöst.

Wenn der eingelesene Wert S_n grösser als 3/4 des Messabschnittes oder kleiner als 1/4 desselben ist, d.h. wenn der umzuwandelnde Wert im Grenzbereich des D/A-Wandlers liegt, so ist der direkte Zugang zum Differenzbildner gesperrt. Ueber die Blöcke 17 bzw. 18 wird in diesem Fall der Wert des D/A-Wandlers entweder verringert oder erhöht. Da keine neue Differenz gebildet wird, wird die zuletzt vorliegende Differenz auf die Pufferstufe gegeben und damit zu dem vorliegenden Wert hinzuaddiert. Das zweimalige Anwenden der gleichen Differenz entspricht damit einem liniaren extrapolieren zu einem neuen Signalwert.