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), dessen Meßgebiet kleiner als der Dynamikbereich des Signals ist, wobei der Dynamikbereich des Signals in kleinere Meßabschnitte mit jeweils gleicher Größe wie das Meßgebiet des A/D-Wandlers eingeteilt wird und wobei mit Ausgangsinformationen des A/D-Wandlers ein Meßabschnittswähler derart gesteuert wird, daß das zu digitalisierende Signal in dem ausgewählten Meßabschnitt liegt und jeweils ein benachbarter Meßabschnitt gewählt wird, wenn das Signal vorgegebene Grenzwerte des jeweils aktuellen Meßabschnittes über- oder unterschreitet.

Bei einem derartigen, aus der EP-A-0 072 144 bekannten Verfahren wird ein zu digitalisierendes Signal einem A/D-Wandler zugeführt, dessen Meßgebiet nur einen Teil des Dynamikbereiches des Signals umfaßt und dessen Aufbau wegen der reduzierten Bitzahl entsprechend einfach und kostengünstig ist. Um dennoch das Signal in seinem gesamten Dynamikbereich mit der Auflösung des A/D-Wandlers bezogen auf sein Meßgebiet digitalisieren zu können, wird der Dynamikbereich in der Größe des Meßgebietes des A/D-Wandlers entsprechende Meßabschnitte aufgeteilt. Die Ausgangsinformationen des A/D-Wandlers werden daraufhin überwacht, ob das Signal in seinem aktuellen Meßabschnitt die Grenzen des Meßbereichs des A/D-Wandlers überschreitet. In diesem Fall wird ein benachbarter Meßabschnitt des zu digitalisierenden Signals ausgewählt, indem das zu digitalisierende Signal über einen D/A-Wandler und einen Differenzverstärker mit einer Spannung beaufschlagt wird, die das Signal in das Meßgebiet des A/D-Wandlers verschiebt. Die nunmehr erhaltenen Ausgangsinformationen des A/D-Wandlers werden um den Digitalwert korrigiert, mit dem der D/A-Wandler beaufschlagt wurde, so daß der korrekte Digitalwert des Signals erhalten wird. An den Schnittstellen zwischen den einzelnen Meßabschnitten können jedoch Diskontinuitäten in den Ausgangsinformationen entstehen, da die Genauigkeit des D/A-Wandlers zur Einstellung der Lage des jeweiligen Meßabschnittes im Dynamikbereich des Signals nicht der hochauflösenden Genauigkeit des A/D-Wandlers entspricht.

Bei einem anderen, aus der US-A-4,251,802 bekannten Verfahren werden zur Auswahl der Meßabschnitte statt eines D/A-Wandlers zwei Festspannungsquellen unterschiedlicher Polarität verwendet, mit denen zwar ggf. eine genaue Einstellung der Lage der ausgewählten Meßabschnitte möglich ist, aber die Unterteilung des Dynamikbereiches des zu digitalisierenden Signals auf drei Meßabschnitte begrenzt ist.

Schließlich wirkt sich bei beiden bekannten Verfahren ungünstig auf die Digitalisierungsgeschwindigkeit aus, daß das zu digitalisierende Signal bei einem Meßabschnittswechsel den A/D-Wandler zweimal durchläuft, nämlich ein erstes Mal, um ein Überschreiten der Grenzen des Wandlermeßbereichs festzustellen, und ein zweites Mal zur Digitalisierung des Signals in dem neuen Meßabschnitt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst schnelle und genaue Digitalisierung des Signals über seinen gesamten Dynamikbereich zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren der eingangs angegebenen Art einander überlappende Meßabschnitte verwendet werden, daß das Signal beim Über- bzw. Unterschreiten der Grenzwerte in dem jeweils aktuellen Meßabschnitt in einen Grenzbereich desselben Meßabschnittes gelangt und in diesem digitalisiert wird, wobei erst für die nächste Digitalisierung des Signals ein benachbarter neuer Meßabschnitt gewählt wird und daß zumindest aus den beiden zuletzt vor dem Wechsel des Meßabschnittes erhaltenen digitalen Ausgangsinformationen des A/D-Wandlers ein Digitalwert extrapoliert wird, der als Referenzwert für die nachfolgend in dem neuen Meßabschnitt digitalisierten Signalwerte verwendet wird.

Durch die Überlappung der Meßabschnitte ist zunächst einmal sichergestellt, daß das umzuwandelnde Signal sicher in einen Meßabschnitt fällt. Diskontinuitäten bei einem Wechsel des verwendeten Meßabschnittes werden weitgehend dadurch eliminiert, daß zumindest aus den beiden letzten Ausgangsinformationen des A/D-Wandlers ein neuer digitaler Signalwert extrapoliert wird. Im einfachsten Fall kann es sich um eine lineare Extrapolation zwischen den letzten beiden Werten handeln. Es können aber auch mehrere Infomationswerte verwendet werden und ein Algorithmus, der dem tatsächlichen Kurvenverlauf besser angepaßt ist. Liegt die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers im Verhältnis zum Frequenzbereich des umzuwandelnden Signals 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 einem schnellen und preiswerten A/D-Wandler möglich, bei praktisch gleichbleibend hoher Auflösung die Digitalisierung eines Signals 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 den Meßabschnitten dadurch eliminiert werden, daß die Differenz aus dem extrapolierten Digitalwert und dem ersten im neuen Meßabschnitt gemessenen Signalwert gebildet und zur Korrektur der Lage und damit der Signalwerte dieses Meßabschnittes verwendet wird. Der jeweilige Absolutwert für die Signalwerte wird aus diesem korrigierten Signalwert in Verbindung mit dem Wert über die Lage des Abschnittes erhalten.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in vorteilhafter Weise durch eine Anordnung zum hochauflösenden Digitalisieren eines Signals mit einem großen Dynamikbereich mittels eines A/D-Wandlers, dessen Meßgebiet kleiner als der in gleichgroße Meßabschnitte unterteilte Dynamikbereich des Signals ist, mit einer die Ausgangsinformationen des A/D-Wandlers erhaltenden Logikstufe zur Erkennung, wenn das Signal vorgegebene Grenzwerte des jeweils aktuellen Meßabschnittes überschreitet, und mit einem Meßabschnittswähler, in dem bei einer Grenzwertüber-oder -unterschreitung zur Auswahl eines nächsten Meßabschnittes ein D/A-Wandler von der Logikstufe angesteuert wird und ein dem A/D-Wandler vorgeordneter Differenzverstärker an einem Eingang mit dem zu digitalisierenden Signal beaufschlagt und an dem anderen Eingang mit dem Ausgang des D/A-Wandlers verbunden ist, bei dem gemäß der Erfindung vorgesehen ist, daß die Logikstufe Mittel zur Extrapolation eines Digitalwertes aus zumindest den letzten beiden vor der Umschaltung in den jeweils neuen Meßbereich digitalisierten Signalwerten enthält und Mittel zur Korrektur der in dem neuen Meßabschnitt digitalisierten Signalwerte in Abhängigkeit von dem extrapolierten Digitalwert aufweist.

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 kalibriert 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 Ausschnitt die mögliche Lage und Veränderung des Meßabschnitte,

FIG 3

in einem entsprechenden Ausschnitt 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 Flußdiagramm 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 (1) 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 (t) 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 Signals 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 linearen Verlauf hat. Der linke Meßabschnitt sei beispielsweise 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 "n+2" jeweils, wenn der Meßwert in den Grenzbereich - gestrichelt angedeutet - des Meßabschnittes "n+1" gelangt. Die unterschiedlichen Meßabschnitte überlappen sich in diesem Ausführungsbeispiel um jeweils 3/4 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 (2) 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 ^Sn-1' ^Sn und ^Sn+1. Angenommen ist wieder ein linearer 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 Meßabschnittwählers (2) hervorgerufene tatsächliche Lage des Meßabschnittes (9) dargestellt. Mit S_e ist der extrapolierte Signalwert bezeichnet, der auch unter Vernachlässigung des Fehlers bei der Extrapolation dem tatsächlichen Signalwert entspricht. Mit S_g ist der durch den fehlerhaft liegenden Meßabschnitt gemessene Signalwert bezeichnet, der erheblich von dem tatsächlichen Signalwert abweichen kann. Mit δ sind hier zusätzlich die Differenzen zwischen benachbarten Signalwerten angegeben. Δ deutet den Fehler in der Lage des geänderten Meßabschnittes an.

Wie man dieser FIG 3 anschaulich entnehmen kann, kann der zu bestimmende Signalwert entweder dadurch erhalten werden, daß die mit δ bezeichneten Differenzen zwischen benachbarten Signalwerten ständig addiert werden oder daß die mit Δ 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 Vervendung eines 8-Bit-A/D-Wandlers (1) und eines Meßabschnittwählers (2), der aus einem 11-Bit-D/A-Wandler (10) und einem Differenzverstärker (11) besteht. Das höchstsignifikante Bit des D/A-Wandlers (1) bestimmt die Wahl des Meßabschnittes dadurch, daß der Wert des D/A-Wandlers (1) jeweils um einen Schritt verändert wird, der der Hälfte des Meßgebietes des A/D-Wandlers (1) 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 (1) und (10) 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 (10) einen Analogwert, der eine Niveauverschiebung des umzuwandelnden Signals um einen Betrag im Differenzverstärker (11) hervorruft, der genau der Hälfte des Meßgebietes des A/D-Wandlers (1) entspricht. Das höchst signifikante Bit des A/D-Wandlers (1) bestimmt dabei über die Logikstufe (3) wann und in welcher Richtung der Wert des D/A-Wandlers (10) und damit der Meßabschnitt geändert werden soll.

FIG 5 zeigt in einem Flußdiagramm die Kontrollstufen, die die Logikstufe gem. FIG 4 durchführt. In einem ersten Schritt werden die Informationen (S_n) aus dem A/D-Wandler (1) eingelesen, wie im Block (12) angedeutet. Liegt der Wert S_n außerhalb des Grenzbereiches des A/D-Wandlers (1), 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 eingegangene 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. Über eine weitere Stufe (15) wird das jeweilige Signal dieser Pufferstufe (14), das der Summe aller Differenzen und damit dem Wechselspannungsanteil des umzuwandelnden Signals entspricht, ausgesendet. Über die Leitung (16) wird danach das Einlesen eines neuen Wertes aus dem A/D-Wandler (1) 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 A/D-Wandlers (1) liegt, so ist der direkte Zugang zum Differenzbildner (13) gesperrt. Über die Blöcke (17) bzw. (18) wird in diesem Fall der Wert des D/A-Wandlers (10) entweder verringert oder erhöht. Da keine neue Differenz gebildet wird, wird die zuletzt vorliegende Differenz auf die Pufferstufe (14) gegeben und damit zu dem vorliegenden Wert hinzuaddiert. Das zweimalige Anwenden der gleichen Differenz entspricht damit einem linearen Extrapolieren zu einem neuen Signalwert.