DE10052152C1 - 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 - Google Patents
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 signalInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung ei nes 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 egg analog input signal into digital output values and especially on the analog / digital conversion of positions sensor signals when positioning machine tools.
Zur Messung eines Weges oder eines Drehwinkels α bei mechani schen Anordnungen oder Maschinen werden Lineardifferential transformatoren (LVDT = Linear Variable Differential Transfor mer) 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 schen Position variieren, so daß aus den Signalen die Position bestimmbar ist.For measuring a path or an angle of rotation α with mechani Arrangements or machines become linear differential transformers (LVDT = Linear Variable Differential Transfor mer) or rotary differential transformers (RVDT = Rotational Variable Differential Transformer), the encoder or resolver be called, or a special arrangement magnetoresisti ver resistors or Hall sensors are used. These sensors deliver two output signals that depend on the mechani position vary, so that the position from the signals is determinable.
Fig. 1a und Fig. 1c zeigen beispielsweise zwei verschiedene Anordnungen zur Messung der linearen Position, während Fig. 1b eine Anordnung zur Messung eines Drehwinkels zeigt. FIG. 1a and FIG. 1c, for example, show two different arrangements for measuring the linear position, while Fig. 1b shows an arrangement for measuring an angle of rotation.
Die Fig. 1a zeigt eine Erregerspule 10 und zwei Meßspulen 20 und 30 und einen Meßgegenstand 40 mit geeigneten Materialei genschaften, wie zum Beispiel einer geeigneten magnetischen Suszeptibilität, der zwischen der Erregerspule 10 auf der ei nen 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 Verschiebung 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 Erre gerspule 10 bewirkt deshalb Signale an den Meßspulen 20 und 30, die in Quadratur zueinander stehen. Die Position des Meß gegenstands 40 ist als ein Winkel α definierbar, der das Ver hältnis zwischen den beiden Meßsignalen bestimmt, wie es im Folgendem erläutert werden wird. Fig. 1a shows an excitation coil 10 and two measuring coils 20 and 30 and a measurement object 40 with suitable Materialei properties, such as a suitable magnetic susceptibility between the excitation coil 10 on the egg NEN and the measuring coils 20 and 30 on the other Side is arranged, and is linearly movable along an axis 50 . The arrangement is designed such that a linear displacement of the measurement object 40 or the excitation coil 10 causes a change in the coupling ratios between the excitation coil 10 and the measurement coil 20 and between the excitation coil 10 and the measurement 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 each other. 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 Fig. 1b gezeigte Anordnung entspricht der in Fig. 1a gezeigten Anordnung bis auf den Meßgegenstand 40. In diesem Fall ist der Meßgegenstand durch einen drehbaren Körper 50 ge bildet. Durch Drehen des Körpers 50 ändert sich wie bei der Anordnung in Fig. 1a das Verhältnis zwischen den in den Meß spulen 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. 1a, the ratio between the measuring coils 20 and 30 detected in the measuring signals as a function of the angle of rotation α, whereby the angle of rotation α can be determined.
Die Fig. 1c zeigt eine zu Fig. 1a alternative Anordnung mit magnetoresistiven Sensoren 60 und 70, wobei als linear ver schiebbarer Meßgegenstand ein magnetischer Maßstab 80 dient. Der magnetische Maßstab 80 weist zwei geeignet ausgerichtete magnetische Bereiche auf, die jeweils entgegengesetzte Magnet felder am Ort der magnetoresistiven Sensoren 60 und 70 erzeu gen, wobei diese Bereiche in Fig. 1c durch vier in abwech selnder Richtung ausgerichtete Stabmagnete 80a, 80b, 80c und 80d dargestellt sind. Durch Verschieben des Maßstabs 80 ent lang einer Achse 90 ändert sich das magnetische Feld am Ort der magnetoresistiven Sensoren 60 und 70 und somit der elek trische Widerstand derart, daß an den Sensoren 60 und 70 Si gnale gemessen werden, die in Quadratur zueinander stehen. Fig. 1c shows an alternative to Fig. 1a arrangement with magnetoresistive sensors 60 and 70 , a magnetic scale 80 being used as a linearly displaceable measuring object. The magnetic scale 80 has two suitably aligned magnetic areas, each producing opposite magnetic fields at the location of the magnetoresistive sensors 60 and 70 , these areas in FIG. 1 c by four bar magnets 80 a, 80 b, 80 aligned in an alternating direction c and 80 d are shown. By moving the scale 80 ent along an axis 90 , the magnetic field at the location of the magnetoresistive sensors 60 and 70 and thus the elec trical resistance changes such that signals are measured at the sensors 60 and 70 , which are in quadrature to each other.
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 ei
nerseits und den Meßsignalen an der Meßspule 20 bzw. dem ma
gnetoresistiven Sensor 60 (Usin) und an der Meßspule 30 bzw.
dem magnetoresistiven Sensor 70 (Ucos) andererseits in Abhän
gigkeit von einer Erregungsspannung U0. Aus Figur zwei ergeben
sich folgende Zusammenhänge zwischen der Erregungsspannung U0,
dem Meßwert α, wie z. B. dem Drehwinkel, und den Meßsignalen
Usin und Ucos:
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 α egg on the other hand and the measurement signals on the measuring coil 20 or the ma gnetoresistive sensor 60 (Usin) and on the measuring coil 30 or the magnetoresistive sensor 70 (Ucos) on the other hand in dependence on an excitation voltage U 0 . From Figure two, the following relationships between the excitation voltage U 0 , the measured value α, such as. B. the angle of rotation, and the measurement signals Usin and Ucos:
Usin = U0 sin(α)
Usin = U 0 sin (α)
Ucos = U0 cos(α)Ucos = U 0 cos (α)
Hierbei kann U0 eine beliebige Gleich- oder Wechselspannung
sein und die allgemeine Form von
Here U 0 can be any DC or AC voltage and the general form of
aufweisen, wobei Ui Amplituden, ϕi die zugehörigen Phasen zum Zeitpunkt t = 0 und ω die Trägerfrequenz sind.have, wherein U i amplitudes, ϕ i 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 analo
gen Ausgangssignale der Sensoren vor ihrer Verarbeitung zur
Ansteuerung der Maschinen digitalisiert werden. Zur Ermittlung
einer digitalen Äquivalenz der Position Θ = αdig muß das Ver
hältnis von Usin zu Ucos ausgewertet werden, wobei im allgemeinen
folgender Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel α und
den Meßsignalen Usin und Ucos gilt:
Since almost all controls and regulations of mechanical systems are increasingly implemented digitally, 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 = α dig , the ratio of Usin to Ucos must be evaluated, with the following relationship in general between the angle of rotation α and the measurement signals Usin and Ucos:
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 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 getrenn ter 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 Tiefpaß filtern 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 Multipli kation 160 bzw. 170 mit einem bei einem Eingang 180 eingespei sten 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 Fil ter 200 ist hinter den Block 190 geschaltet, um eine Störun terdrückung zu bewirken. 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 the analog-to-digital converters 140 and 150 upstream to meet 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.
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 Um setzdauer 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 22Ni-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 theoretisch physikalische Grenze für die Meßgenauigkeit ist durch ein kon stantes Produkt aus Auflösung und Mittelungszeit gekennzeich net und liegt vor allem bei höheren Auflösungen, weit von den Ergebnissen dieses Verfahrens weg.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 order duration cannot be set dynamically. In the event that a noise signal that is larger than the least significant bit is superimposed on the input signal, the resolution can be increased by Ni bits in the digital filter by averaging over 2 2Ni values. This is known as dithe ring and results in an increase in the resolution proportional to the root of the averaged time period. The theoretical physical limit for the measuring accuracy is characterized by a constant product of resolution and averaging time and lies 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 ver schiedenen 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 02062-9196, der Firma NAI und der Firma iC-House eingesetzt.Other methods known in the art evaluate the Measuring signals after a post-processing with counter and ver different types of feedback. Implementers of this type are 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 Analog Devices INC. with the business address one signality way, poBox. 9196, Nor worth MA 02062-9196, the company NAI and the company iC-House used.
Das Nachlaufverfahren beruht auf der Nachführung des digitalen Wertes Θ mit Hilfe einer Regelschleife. Das benötigte, rückge koppelte Fehlersignal wird durch nichtlineare analoge Schal tungen berechnet.The tracking process is based on the tracking of the digital Value Θ using a control loop. The required, returned coupled error signal is through nonlinear analog scarf calculations.
Fig. 4 zeigt einen herkömmlichen Umsetzer nach dem Nachlauf verfahren, der von der Firma iC-House produziert wird, mit ei nem Sinus/Digital-Wandler. Fig. 4 shows a conventional converter after the post-processing, which is produced by the company iC-House, with a sine / digital converter.
Der Umsetzer von Fig. 4 umfaßt zwei Eingänge 200 und 210, an denen die demodulierten Signale A × sin(α) und A × cos(α) an liegen. Die beiden Eingänge 200 und 210 sind direkt und über einen Invertierer 220 bzw. 230 mit jeweils zwei Eingängen ei ner Schalteinrichtung 240 verbunden. Die Schalteinrichtung 240 empfängt an einem Eingang 245 Segmentsteuerungsinformationen, die im folgendem erklärt werden, und leitet entsprechend die ser Informationen entweder das nichtinvertierte oder inver tierte Eingangssignal des Eingangs 200 an den nicht invertie renden Eingang eines Komparators 250 bzw. entweder das nicht invertierte oder invertierte Eingangssignal des Eingangs 210 an einen Multiplizierer 260 weiter. Der Ausgang des Multipli zierers 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 Takt signals 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 Aus gang 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.The converter of FIG. 4 comprises two inputs 200 and 210 , at which the demodulated signals A × sin (α) and A × cos (α) are present. The two inputs 200 and 210 are connected directly and via an inverter 220 and 230 , respectively, to two inputs of a switching device 240 . The switching device 240 receives segment control information at an input 245 , which will be explained in the following, and accordingly directs this information either 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 input 210 to a multiplier 260 . The output of the multiplier 260 is connected to the inverting input of the 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 Fi gur vier beschrieben. Das digitale Umsetzergebnis bzw. der ak tuelle 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 Ausgangs signale 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 Digi tal/Analog-Umsetzers 310 dem Wert α der Eingangsspannungen entspricht.The mode of operation of the converter from FIG. 4 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 voltage via the digital / analog converter 310 . 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, which is 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 × sin(α)
und A × cos(α) zur Verfügung. Von dem Ausgangswert Θ wird in
der Rückführung entlang der Rückkopplungsschleife die Tangens
funktion 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 × sin (α) and A × 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:
Asin(α) = Acos(α)tan(Θ)Asin (α) = Acos (α) 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 Ein gangssignale an den Eingängen 200 und 210 durch die Segment steuerung vertauscht, und in der Rückkopplung anstatt der Tan gensfunktion die Cotangensfunktion gebildet. Der Sinus- Digital-Wandler läuft automatisch auf dem kürzestem Weg in das Segment und hat somit bei statischem Eingangssignal nach maxi mal n/2 Taktzyklen seinen Arbeitspunkt erreicht, wobei n der Auflösung entspricht. Die Demodulation von eventuell geträgerten Signalen kann bei dem Umsetzer durch trägersynchrone Um steuerung 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 interchanged by the segment control, and the cotangent function is formed in the feedback instead of the tan function. The sine-digital converter runs automatically on the shortest path into the segment and has thus 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 carried signals can be realized in the converter by carrier-synchronous control 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 wer den 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 auf gespannt und innerhalb von zwei Taktperioden geprüft, ob das Eingangssignal noch innerhalb dieses Bereiches liegt. Die Aus gangsfrequenz beträgt folglich lediglich die Hälfte der Takt frequenz, und es ist eine zusätzliche Schaltung notwendig, um das Schwanken des Ausgangswertes bei ansonsten konstantem Ein gangssignal 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 by anyone who can. 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 therefore only half the clock frequency, and an additional circuit is necessary to prevent the fluctuation of the output value with an otherwise constant input signal.
In Fig. 5 ist das Blockschaltbild eines weiteren herkömmlichen Umsetzers nach dem Nachführverfahren gezeigt. Dieser ratiome trische 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 phasensensiti ven 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 Inte grators 470 einen Gleichsignalfehler E aus. Der Integrator gibt an einen Ausgang 480 und an einen Eingang eines VCOs 490 ein integriertes Fehlersignal aus. Der VCO 490 gibt über zwei Leitungen 500 und 510 Taktsignale clk und Richtungsinformatio nen 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.In Fig. 5 the block diagram is shown of another 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. As Fig. 5 shows, this converter comprises two inputs 400 and 410, against which the input signals Vsin and Vcos. 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 to an output 460 and to the input of an integrator 470 . The integrator outputs an integrated error signal to an output 480 and to an input of a VCO 490 . 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 den
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) pro
portional zu (α - Θ) ist:
The operation of the converter of Fig. 5 will now be explained. First, the input signals at 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 - Θ.E = 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 entspre chender Geschwindigkeit vorwärts oder rückwärts. Durch den Einsatz des Integrators ist es das Umsetzverfahren störunter drückend. Typischerweise sind die Blöcke alle in einen Hybrid baustein oder eine IC (IC = Integrated Circuit = integrierte Schaltung) integriert, wobei allerdings Verbindungen 540 und 550 zu den Ausgängen 560 und 580 außerhalb des Bausteins ange ordnet 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 is suppressed. The blocks are typically 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 can.
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 nachfol gendes 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 re duzierter Auflösung folglich nicht zu einer höheren Dynamik.A disadvantage of the circuit shown in Fig. 5 is that its behavior depends largely on the external structure and the Be circuit. In addition, the resolution is determined internally by the width of the counter word and can therefore not be changed dynamically during operation. In principle, it would be possible to adjust the resolution using a variable 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. Shortening the digital integration time does not lead to higher dynamics 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 Di gitalsignale um. Anstatt der Arctan(x)-Bildung wird nur eine Quotientenbildung durchgeführt. Dies geschieht über die linea re 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 Si nusförmigkeit der Modulation nicht berücksichtigt wird.WO 93/22622 describes an interpolating converter, which is used in the AD598 module from ANALOG DEVICES becomes. This converter converts LVDT signals into PWM-encoded Di capital signals around. Instead of arctan (x) formation, only one Quotient formation carried out. This is done via the linea re multiplication of the input signals by the PWM signal. in the Principle, this converter is a single Bit-sigma-delta converter with special single-bit Feedback on the two input signals. This translator can only approximately evaluate resolver signals, since the Si modulation is not taken into account.
Bei denen im vorhergehend beschriebenen, in dem Stand der Technik bekannten Umsetzerverfahren ergeben sich die folgenden Probleme:In those described above, in the state of the Technique known converter methods result in the following Problems:
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 verarbei ten zu können, muß die Trägerfrequenz und die Eingangsband breite der Auswerteschaltungen immer höher werden. Dies erfor dert eine immer schneller werdende Regelung bei dem Nachlauf verfahren 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 un ter hohem Aufwand weiter verarbeiten kann.The drives of modern machine tools are getting faster and faster and should always position more precisely. To get it ever increasing speeds (with resolvers) or process higher linear speeds with fixed resolution To be able to use the carrier frequency and the input band width of the evaluation circuits become ever larger. This is necessary a faster and faster regulation in the wake move or ever higher sampling rates of the analog / digital Converter with separate digitization, which in turn is high Requirements for the subsequent control electronics that just a lot of the quickly generated position information can continue processing with great effort.
Bei hoher Bandbreite der Schleifensteuerung eines Nachlaufum setzers, kann das Regelsystem auch leicht instabil werden. Speziell mehrfachintegrierende Systeme, die sich durch kleine statische Regelabweichungen auszeichnen, sind in dieser Hin sicht 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 An fälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen von anderen Baugruppen größer.With a high bandwidth of loop control of a caster setter, the control system can also become slightly unstable. Especially multi-integrating systems that are characterized by small Static control deviations are in this Hin view vulnerable. This also affects the user of the Circuit out, since it becomes difficult to convert the converter module in to integrate a working system. In addition, the An due to electromagnetic interference from others Assemblies larger.
Obwohl es folglich wünschenswert wäre, das gesamte Umsetzersy stem monolithisch zu integrieren, ist bei den herkömmlichen Verfahren der Aufwand hierzu entweder sehr hoch oder gar un möglich.Thus, although it would be desirable to have the entire converter system Integrating the monolithic stem is the conventional method The procedure for this is either very high or even un possible.
Bei den ratiometrischen Verfahren steht der Integration bei spielsweise 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 ei ne 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 mi nus 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. Integration is involved in the ratiometric process for example the offset of the integrator, the PSD and the VCO, that lead to distortion or unstable behavior can, counter. In addition, the time constants of the VCO show ne high scatter, and the PSD causes interference and distortions. Another disadvantage is that the resolution of the multipliers used or the multipliers DACs depend and hardly dynamic in favor of speed is reducible. In addition, the counter always counts plus or mi only one step of the maximum resolution and thus sets the ma ximal speed da / dt fixed, consequently mostly the maximum conversion speed of the multiplying DAC cannot be fully exploited.
Bei dem vorhergehenden erwähnten Verfahren der getrennten Di gitalisierung 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.In the aforementioned method of separate Di gitalization the problem arises with integration 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 mostly is firm.
Die EP 0158841 A1 beschreibt einen Analog-Digital-Wandler, bei dem ein erster Diskriminator die Eingangsspannung mit der Aus gangsspannung eines einem digitalen Integrator nachgeschalte ten Digital-Analog-Wandlers vergleicht und ein Vorwärts- oder Rückwärtszählen des digitalen Integrators um ein niedrigstwer tiges Bit bewirkt, falls die Eingangsspannung um mehr als etwa die Hälfte der einem niedrigstwertigen Bit entsprechenden Spannung tiefer oder höher liegt. Zur Verbesserung der Nach führung sind zusätzlich Fensterdisktriminatoren vorgesehen, die eine schnellere Ausgangssignalrückführung bei raschen Schwankungen der Eingangsspannung ermöglichen.EP 0158841 A1 describes an analog-to-digital converter, in which a first discriminator the input voltage with the off output voltage of a digital integrator compares th digital-to-analog converter and a forward or Count down the digital integrator by a minimum bit causes if the input voltage is more than about half of those corresponding to a least significant bit Voltage is lower or higher. To improve the after window discriminators are also planned, which a faster output signal feedback at rapid Allow fluctuations in the input voltage.
Die DE 195 40 106 C2 beschreibt eine Steuereinheit für einen E lektromotor mit einem Positionssensor mit analogem Ausgangs signal. Dem Positionssensor ist ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet, dem wiederum eine Rechenschaltung zur Ermitt lung von Positionswerten nachgeschaltet ist. Es ist eine Kor rekturschaltung vorgesehen, um die Zeitverzögerung bei der Be rechnung des Postitionswertes zu korrigieren.DE 195 40 106 C2 describes a control unit for an E electric motor with a position sensor with analog output signal. The position sensor is an analog-digital converter downstream, which in turn a computing circuit for investigation downstream of position values. It is a Kor rectification circuit provided to the time delay in loading correct 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 di gitale Ausgangssignal hergeleitet wird, wenn zwischen der Spannung, die durch den D/A-Wandler erzeugt wird, und dem analogen Eingangssignal durch einen Komparator eine Überein stimmung 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 is 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 as the di gitale output signal is derived if between the voltage generated by the D / A converter and the analog input signal through a comparator mood is determined. The output signal of the comparator is fed back to overlay the subtracted result as well as to be used to convert the D / A converter Taxes.
Die UK 2242583 A beschreibt einen Zweifachreferenzwinkelge ber/Digital-Wandler, bei dem in einem DAW ein Cosinus- und Si nus-Gebersignal mit einem internen digitalen Sinus- bzw. Cosi nus-Signal multipliziert wird, und die Ausgangssignale einem Fehlerverstärker zugeführt werden, der ein Fehlersignal er zeugt, 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 Cosinusein gangssignal 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 digi talen Referenzsynthesizer verbunden.UK 2242583 A describes a double reference angle ber / digital converter, in which in a DAW a cosine and Si nus encoder signal with an internal digital sine or cosi nus signal is multiplied, and the output signals one Error amplifier are supplied, which he an error signal testifies, which is digitized by a converter and by a digitized reference signal is demodulated by the encoder. The output signal is demodulated in the demodulator and ü Via a digital filter fed to a binary accumulator. The Accumulator output signal is first by a cosine Lookup table to be the cosine via a modulator generate signal for the DAW, and secondly by a Sine lookup table used to over another mo dulator to generate the sine input signal for the DAW. The Demudulator and the modulators are equipped with an internal digi talen reference synthesizer connected.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ver fahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln eines analogen Ein gangssignals in einer Sequenz von digitalen Ausgangswerten zu schaffen, so daß die dynamischen Eigenschaften der Umwandlung verbessert sind und dennoch für statische Eingangssignale hohe Auflösungen erreicht werden können. The object of the present invention is a Ver drive and an apparatus for converting an analog one input signal in a sequence of digital output values create so that the dynamic properties of the conversion are improved and still high for static input signals Resolutions can be achieved.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1 and solved a device according to claim 9.
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 ers ten Differenzwertes einen vorbestimmten Betrag überschreitet, wobei, falls der Betrag des ersten Differenzwertes den vorbe stimmten 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 Überprüfens durchgehend ergab, daß der Betrag des ersten Differenzwertes den vorbestimmten Betrag nicht über schreitet, das Vergleichen des zweiten Differenzwertes mit ei nem vorbestimmten Schwellenwert und das Inkrementieren oder Dekrementieren des digitalen Ausgangswertes abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs vorgesehen.The inventive method for converting an analog Input signal in a sequence of digital output values comprises forming a first difference value between the current output value and the analog input signal. The The method also includes checking whether the amount of the first th difference value exceeds a predetermined amount, where, if the amount of the first difference value exceeds the previous agreed amount exceeds, the readjustment of the digital Output value using a certain control value is provided. If the amount of the first difference value forming does not exceed the predetermined amount a second difference value between the first difference and an integration value, which is the sum of the negated first difference values have existed since the review in the Step of reviewing consistently revealed that the amount of the first difference value does not exceed the predetermined amount steps, comparing the second difference value with egg predetermined threshold and incrementing or Decrementing the digital output value depending on the Result of the comparison provided.
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 ana logen Eingangssignal sowie eine Einrichtung zum Überprüfen, ob der Betrag des ersten Differenzwertes einen vorbestimmten Be trag 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 Vorrich tung umfaßt ferner eine Einrichtung zum Bilden eines zweiten Differenzwertes zwischen dem ersten Differenzwert und einem Integrationswert, der aus der Summe der negierten ersten Dif ferenzwerte besteht, seit dem die Einrichtung zum Überprüfen durchgehend bestimmt hat, daß der Betrag des ersten Differenz wertes den vorbestimmten Betrag nicht überschreitet, zum Ver gleichen 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 vorbe stimmten Betrag nicht überschreitet.The inventive device for converting an analog Input signal in a sequence of digital output values comprises means for forming a first differential value tes between the current digital output value and the ana log input signal and a device for checking whether the amount of the first difference value is a predetermined Be load exceeds. It is a facility for readjusting the digital output value using a predetermined Control value if the amount of the first difference value is the exceeds a predetermined amount. The Vorrich tion further comprises means for forming a second Difference value between the first difference value and one Integration value, which is the sum of the negated first dif reference values has been in existence since then has consistently determined that the amount of the first difference value does not exceed the predetermined amount, for ver same of the second difference value with a predetermined Threshold and for incrementing or decrementing of the digital output value depending on the result of the Comparison if the amount of the first difference is equal agreed amount does not exceed.
Die hier vorliegende Erfindung trägt der Erkenntnis Rechnung, daß mechanische Systeme mit einer mechanischen Trägheit behaf tet 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 Bewe gung, 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 elektroni schen 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 that mechanical systems have mechanical inertia tet, so that when a machine moves quickly Evaluation of the current position of the machine with full open solution is not necessary. Only when the movement is relatively slow when the machine has almost reached its destination has and stands, the more precise position becomes interesting. Here is the expression "slow down" relative to the electroni to understand processing speed insofar as that it only takes a few milliseconds for a machine are to slow down, and a human observer to this Process described as a "stand still" for integrated electronic systems but a few milliseconds a "long Time ".
Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Nachregeln des Ausgangswertes, d. h. die Grobquanti sierung, durchgeführt, indem eine Mehrzahl von Zählerwerten zu bzw. von dem aktuellen Ausgangswert abhängig von den Vorzei chen des ersten Differenzwertes addiert oder subtrahiert wer den, 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 annä hert, 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 Ausga bewerten eingestellt werden.In one embodiment according to the present invention the readjustment of the initial value, d. H. the rough quanti sation, performed by adding a plurality of counter values or the current output value depending on the time who add or subtract the first difference value until the output value crosses the input signal or exceeds. After the initial value has been adjusted or if the deviation of the current digital off initial value of the value of the input signal is small a fine quantization is carried out, during which it is checked whether the second difference value has crossed the threshold, and if so, the direction is determined in that the second difference value has crossed the threshold value, whereupon the current digital output value depends on the specific direction is incremented or decremented. In the case of a constant input signal, the oscillates resulting sequence of output values around the two digi tal values closest to the constant input signal around. From the frequency of occurrence of the values can by Subsequent averaging with regard to a variable Number of successive output values of the sequence from Output values a higher resolution can be achieved at for example when the machine approaches its target position and the output rate may be lower. about the number of digital used for averaging Initial values can be the averaging duration and thus the dead time of the control system to a current travel speed or to a suitable output rate for the sequence of output rate can be set.
Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel wird die vorliegen de Erfindung auf zueinander in Quadratur stehende Signale an gewendet, wie sie bei der Verwendung von LVDTs und RVDTs oder Anordnungen mit magnetoresistiven Widerständen oder Hallsenso ren entstehen. Hierbei wird ein 4-Quadranten-Addierer, der aus zwei multiplizierenden DACs und einem Addierer besteht, ver wendet, um aus den zueinander in Quadratur stehenden Signalen den ersten Differenzwert zu erhalten. Die vorliegende Erfin dung 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 Umset zung und eine Demodulation gleichzeitig durchgeführt werden.According to a special embodiment, this will be the case de Invention on signals in quadrature to each other as used when using LVDTs and RVDTs or Arrangements with magnetoresistive resistors or Hall sensors ren emerge. This is a 4 quadrant adder that consists of there are two multiplying DACs and an adder, ver turns to from the signals in quadrature to each other to get the first difference value. The present inven is therefore suitable to make a pair of signals the same Process frequency and one from the current amplitude to determine digitally represented value of one in the eye represented by a sensor. At digitization can be the phase of the input signals contained carrier are taken into account, thereby a implementation tion and demodulation can be 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 zwi schen den Ausgangswerten eine höhere Auflösung als die Auflö sung der multiplizierenden DACs des 4-Quadranten- Multiplizierers erzielt werden kann, wodurch sich der Flächen bedarf für die verwendeten Multiplizierer verringert, und die selben schneller werden. Zusätzlich übernehmen drei Komparatoren 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 a Integration of a converter according to the present invention lighter than with the converters known in the prior art is feasible. In particular, integration into a Standard CMOS technology possible. The reason for this is there in that between the subsequent linear interpolation a higher resolution than the resolutions solution of the multiplying DACs of the 4-quadrant Multiplier can be achieved, which increases the area needed for the multipliers used, and the same become faster. In addition, three comparators take over the task of those used in conventional converters, VCOs that are difficult to reproduce, and because of that In the absence of a PSD, interference, signal distortion occur increased chip area consumption, offset problems, etc., as in State of the art occur away so that overall less critical components must be used.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß bessere 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 Dy namik des Eingangssignals ab, wobei sich schnell ändernde Ein gangssignale mit hoher Rate aber mit geringer Auflösung abge tastet 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 with high static on solution can be achieved. Consequently, using the Method or device of the present invention also very fast machine controls digitally implemented become. In particular, the resolution of the sequence depends on digi tale output values, as required in practice, from the Dy namik of the input signal, with rapidly changing on Abge signals with a high rate but with low resolution be groped, such as B. with a step size that a more times the total resolution, and slowly changing Input signals can be sampled with high resolution.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Geschwindigkeit und der Stabilität der Nachführung des digita len 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 Integrations wert 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 2Ni 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 an interpolation filter with a length of 2 Ni by Ni bits.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnun gen näher erläutert. Es zeigtPreferred embodiments of the present invention are made below with reference to the accompanying drawings gene explained in more detail. It shows
Fig. 1a, 1b und 1c schematische Darstellungen von Sensoranord nungen zur Positionsmessung unter Erzeugung von zu einander in Quadratur stehenden Ausgangssignalen ge mäß dem Stand der Technik; Fig. 1a, 1b and 1c are schematic representations of Sensoranord regulations for position measurement with generation of mutually quadrature output signals according to the prior art;
Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung des Zusam menhangs zwischen zueinander in Quadratur stehenden Ausgangssignalen, einem Erregersignal und einem Dreh winkel; Fig. 2 is a vector diagram to illustrate the coherence between mutually quadrature output signals, 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. 3 is a block diagram of a converter with separate digitization of the two input signals according to the prior art;
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Umsetzers mit einem Si nus/Digital-Wandler gemäß dem Stand der Technik; Fig. 4 is a block diagram of a converter with a Si nus / digital converter according to the prior art;
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines ratiometrischen Umsetzers gemäß dem Stand der Technik; Fig. 5 is a block diagram of a ratiometric converter according to the prior art;
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Umsetzers gemäß einem Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 6 is a block diagram of a converter according to an exemplary embodiment from 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 durch führenden Teils des Umsetzers von Fig. 6; FIG. 8 is a block diagram of the fine quantization by leading part of the converter of FIG. 6;
Fig. 9 ein Blockschaltbild des die Mittelwertbildung der Se quenz von Ausgangswerten durchführenden Teils des Um setzers von Fig. 6; FIG. 9 is a block diagram of the part of the converter of FIG. 6 performing the averaging of 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 Zy klenschritte Signalwerte aufgetragen sind, die bei einem ersten Beispielablauf der Schaltung von Fig. 6 auftreten;11a is a graph plotted in the klenschritte against successive signal values Zy Fig occurring in a first example of the circuit of Fig. 6.;
Fig. 11b einen Graphen, in dem gegen aufeinanderfolgende Zy klenschritte weitere Signalwerte aufgetragen sind, die bei dem ersten Beispielablauf von Fig. 11a auf treten; Figure 11b is a graph plotted in the klenschritte against successive Zy further signal values that occur in the first example process of Fig 11a..;
Fig. 11c einen Graphen, in dem gegen aufeinanderfolgende Zy klenschritte Signalwerte aufgetragen sind, die bei einem zweiten Beispielablauf der Schaltung von Fig. 6 auftreten;11c is a graph plotted in the klenschritte against successive signal values Zy Fig occurring in a second example of the circuit of Fig. 6.;
Fig. 11d einen Graphen, in dem gegen aufeinanderfolgende Zy klenschritte weitere Signalwerte aufgetragen sind, die bei dem zweiten Beispielablauf von Fig. 11c auf treten; und Fig. 11d is a graph plotted in the klenschritte against successive Zy further signal values which occur in the second example flow of Fig 11c. and
Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Umsetzers gemäß einem spe ziellen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin dung. Fig. 12 is a block diagram of a converter according to a spe cial embodiment of the present inven tion.
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, an hand derer die Funktionsweise des Umsetzers von Fig. 6 erklärt wird.Referring to FIG. 6, a converter will first be described according to an embodiment of the present invention. 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 mode of operation 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 anpaßba res 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 Ad dierer 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 Addie rers 610 sowie mit einem Eingang des Digitalfilters 690 ver bunden und gibt das Umsetzergebnis bzw. den aktuellen digita len Ausgangswert Θn aus. Der Ausgang des adaptiven Filters 690 ist mit einem Ausgang 710 des Umsetzers verbunden, um das ge filterte 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 an adaptable digital filter 690 . An input of the adder 610 is connected to the input 700 of the converter to receive the input signal α, the output of the adder 610 being connected to the inputs of the comparators 640 and 650 and the integrator 620 and an input of the adder 630 . 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 660 . 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 or the current digital output value Θ n . 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 Um setzers 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 the same elements as in FIG Fig. 6, the same reference numerals are used, and an explanation of the interconnection of these elements is therefore omitted. In addition, to simplify the Dar position in Fig. 8, the control logic 670 has been omitted.
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 dem Addierer 610 wird das aktuelle Umsetzergebnis Θn, das in dem Auf/Ab-Zähler 680 gespeichert ist, von dem analogen Eingangs signal 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 In tegrator 620 (Fig. 6) kein Ausgangssignal liefert gibt der Ad dierer 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. FIG. 7 shows the part of the circuit of FIG. 6 which carries out 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 the adder 610 , the current conversion result Θ n , which is stored in the up / down counter 680 , is subtracted from the analog input signal α, as a result of which an error signal ε = α - Θ n is generated 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. Correspondingly, 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 über schreitet, 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 augenblickli chen Digitalwertes wird durch geeignetes Addieren bzw. Subtra hieren eines Regelwerts, beispielsweise einer bestimmten An zahl von Zählerwerten, durchgeführt, wobei die Regelschleife derart wirkt, daß der aktuelle Digitalwert nachgeführt wird, bis das Umsetzerergebnis Θn den analogen Eingangswert α über schreitet bzw. überquert. Diese Nachführung wird vorzugsweise ohne größere Zeitverzögerung, beispielsweise unter Verwendung einer Proportionalregelung, durchgeführt. Es kann beispiels weise 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 be stimmen, 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 Di gitalwertes 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 Zähler werts 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, the respective comparator 640 or 650 sending a corresponding signal to the control logic 670 , to cause the current digital value stored in the up / down counter 680 to be matched 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 specific number of counter values, the control loop acting in such a way that the current digital value is tracked until the converter result Θ n 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 amount of the error signal ε exceeds the certain threshold value, the up / down counter 680 the current digital value per control cycle by a certain number of counter values adapted to the amount of the error signal ε 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 updated per cycle simply by adding or subtracting a single counter value or incrementing or decrementing it.
Es ist wahlweise ferner möglich, mit der Beendigung der Grob quantisierung 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 for the completion of the rough quantization until Θ n α crosses over, but to proceed to 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 Umsetzergeb nisses Θn durch die digitale Breite des Auf/Ab-Zählers 680 be grenzt ist, ist es bei einer Feinquantisierung, die bezugneh mend 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 ge zeigt 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 Feinquan tisierung in dem Fall durchzuführen, daß das aktuelle Umset zergebnis 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 Um setzergebnis Θn von dem Eingangssignal α um weniger als den be stimmten Schwellenwert S unterscheidet, gibt der Integrator 620 an seinem Ausgang ein Integrationssignal Σ aus, das der Integration des bisher aufgetretenen invertierten Fehlersi gnals -ε seit dem Zeitpunkt entspricht, da der Betrag des Feh lersignals 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 Kom parator 660 aus. Der Komparator 660 vergleicht den von dem Ad dierer 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 Zähler wert inkrementiert wird, wenn δ größer als der 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.7, the resolution of the conversion result Θ n is limited by the digital width of the up / down counter 680 in the case of the rough quantization which is described with reference to FIG. 7, it is the case with a fine quantization that refers to FIG. 8 will be described in the following, possible by subsequent digital filtering to increase the resolution of the conversion result Θ n . The part of the circuit of FIG. 6 which carries out 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 the up / down counter 680 . This part of the circuit acts to carry out the fine quantization in the event that the current conversion result Θ n deviates only slightly from the input signal α, for example only by at most 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, ie if the check of the error signal ε in successive cycles shows that the current implementation result Θ n differs from the input signal α by less than the certain threshold value S, the integrator 620 inputs at its output Integration signal Σ off, which corresponds to the integration of the previously occurring inverted error signal -ε 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.
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 10 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 Ta belle 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 Feinquantisie rung 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 10 digital values Θ n and the control action of the control logic 670 are given before and after the decision. In FIG. 11a the values of ε, Σ and δ are plotted for easier illustration and in FIG. 11b 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 are applied. In the example of Table 1, it is assumed that the digital resolution of the up / down counter 680 is limited to integer numbers. In addition, it is assumed that the determined threshold value is 2 and the comparison value is 0. Consequently, the fine quantization takes place if the magnitude of the error signal ε is less than two. 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 Grobquan tisierung aktiviert wird, um den Digitalwert Θ des Auf/Ab- Zählers 680 solange nachzuregeln, bis der aktuelle Digitalwert Θn das Eingangssignal α überschreitet. Wie es in Tabelle 1 ge zeigt 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 Feinquanti sierung 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 equals zero and the difference value δ equals ε, since fine quantization is deactivated, and the coarse quantization is activated in order to readjust the digital value Θ of the up / down counter 680 until the current one Digital value Θ n exceeds the input signal 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 Dif ferenzwert 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 Feinquantisie rung beginnt, gibt die Steuerlogik 670 jetzt den invertieren den Integrator 620 frei. Ab diesem Zeitpunkt wird -ε kontinu ierlich 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.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 is now decrementing Θ to the value 14. When Θ is switched, ε and δ change abruptly to the value 0.7. Since fine quantization begins here, the control logic 670 now enables the inverting integrator 620 . From this point on, -ε is continuously integrated. In this example, the integrator time constant is chosen such that Σ changes by -ε after a step with the constant signal ε at the input of the integrator 620 .
Bis zum Schritt n = 2 ist damit das Integratorsignal Σ bis auf -0,7 gefallen und mit ihm das Differenzsignal δ auf 1,4 gestie gen. Der Komparator 660 stellt fest, daß der Wert von δ jetzt größer als sein Vergleichswert ist. Die Steuerlogik 670 ent scheidet, 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.Up to step n = 2, the integrator signal Σ has dropped to -0.7 and the difference signal δ has risen to 1.4 with it. The 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 Vergleichs wert 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 larger than the comparative value of the comparator 660 . The control logic 670 decides that the counter 680 Θ must increment 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 comparison 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 Schritt 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 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 der Vergleichswert des Komparators 660. Θ wird auf den Wert 15 in krementiert und die Signale ε und δ springen auf -0,3 bzw. -0,8.Up to step n = 6 the integrator signal Σ falls again, down to the value 0.5. δ thus rises to 0.2 and is greater than the comparison value of the comparator 660 . Θ is incremented to the value 15 in 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 de krementiert. 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 less than the comparison 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 greater than the comparative value of the comparator 660 . Θ is incremented to the value 15 in and the signals ε and δ jump to -0.3 and -0.4, respectively.
Dies setzt sich fort bis zum Schritt n = 11, wobei Θ bei n = 9 de krementiert und bei n = 10 inkrementiert wird. This continues until step n = 11, where Θ at n = 9 de incremented and incremented at n = 10.
Bis zum Schritt n = 11 hat das Integratorsignal Σ den Wert 0,0 wieder erreicht. Die Situation entspricht der des Schritts n = 1. Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß sich von Schritt n = 11 bis zum Schritt n = 21 die Zustände von Schritt n = 1 bis Schritt n = 11 wiederholen. Dieses zyklische Verhalten mit der Periode von zehn Schritten, in denen der Digitale Ausgangs wert Θ um diejenigen Digitalwerte herum schwankt, die dem Ein gangswert α am nächsten liegen, setzt sich fort, solange sich α nicht ändert.Up to step n = 11, the integrator signal Σ has the value 0.0 reached again. The situation corresponds to that of the step n = 1. From the table it can be seen that from step n = 11 to step n = 21 the states from step n = 1 to Repeat step n = 11. This cyclical behavior with the Period of ten steps in which the digital output value Θ fluctuates around those digital values that initial value α is closest, 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 den 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 Θi < α und Θi + 1 < α hin und her.In 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 can be seen in steps n = 5 to n = 12. If ε is rather positive on average, i.e. Θ too small on average, Σ continues to decrease until Θ increases again from größeren i + 2 from the larger of the two values - as in step n = 13 - because Σ is 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 Θ i <α and Θ i + 1 <α.
Liegt α genau zwischen Θi und Θi + 1, so oszilliert Θ nur zwi schen den beiden Werten hin und her.If α lies exactly between Θ i and Θ i + 1, Θ only oscillates between the two values.
Ist α < Θi + 0,5, so tritt zum Ausgleich regelmäßig zusätzlich der Wert Θi + 2 auf. Ist α < Θi + 0,5, so tritt regelmäßig zu sätzlich der Wert Θi - 1 auf.If α <Θ i + 0.5, the value Θ i + 2 also occurs regularly to compensate. If α <Θ i + 0.5, the value Θ i - 1 also occurs regularly.
Insgesamt entspricht dieser Feinquantisierungsrückkopplungs prozeß 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 Zwischenwerte 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.If one averages the last 10 Θ values of Ta belle 1, you get after a settling time of maximum 10 steps after fine quantization begins, the ge closer conversion result of 14.7, as in the seventh column the table is plotted as once within a period the value 16, five times the value 15 and four times the value 14 occurs.
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 an deren 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 Initialisie rungswert 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 Komponen ten darstellen, und der Integrationswert Σ und der Differenz wert 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 comparative value of the comparator 660 was zero, it can also be set to another 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 Represent comparator 660 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 oder langsame Änderungen des Eingangssignales durch Aufsummie ren aller bisherigen Fehler im Ausgangssignal Θ kontinuierlich mitberücksichtigt werden.The analog signal path 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 Θ.
Des Weiteren wird darauf hingewiesen, daß das Schaltverhalten der Steuerlogik 670 in diesem Beispiel eine einfach vorzufüh rende 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 Wer te 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 implementation, 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 on average also correspond to the input signal α.
Als Beispiel sei hier auf den in Tabelle 2 veranschaulichten und in Fig. 11c und 11d dargestellten Ablauf verwiesen. Der Aufbau der Spalten von Tabelle 2 entspricht demjenigen von Ta belle 1. In Fig. 11c sind die Werte von ε, Σ und δ und in Fig. 11d 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 Ab lauf wird von identischen Voraussetzungen ausgegangen wie bei dem bezugnehmend auf Tabelle 1 beschriebenen Ablauf. Der ein zige Unterschied liegt im Entscheidungskriterium für das Auf- und Ab-Steuern des Zählers 680. Hier wird die Zählrichtung ebenfalls 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 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 over 10 steps on the y- Axis plotted, while the cycle steps are plotted on the x-axis. In the process shown, the assumptions are identical to those for the process described with reference to Table 1. The only difference lies in the decision criterion for the up and down control of the counter 680 . Here the counting direction is also determined from the sign of δ.
Zunächst wird aber nur ein Schritt weiter gezählt und dann bei gleichbleibendem Vorzeichen von δ mindestens eine bestimmte An zahl 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 steps to be maintained is n W = 3. If δ retains the same sign for a long time, counting continues in this direction, since it must be assumed that α has changed. In this way, however, it is ensured that Θ n only switches back and forth between the two α closest values Θ i <α and Θ i + 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. Die ser Teil umfaßt die Steuerlogik 670 und ein anpaßbares bzw. adaptives Digitalfilter 690, das an dem Ausgang 710 das gefil terte 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 interpo liert werden. Bei hoher Verfahrgeschwindigkeit bzw. schneller Änderung des Eingangssignals α ist es aber sinnvoll die Mitte lungsdauer klein zu halten, damit die Totzeit des Regelungssystems klein bleibt. Durch das anpaßbare Digitalfilter 690 ist es möglich die Auflösung und den dynamischen Verlauf des ge filterten Umsetzergebnisses Θ an die aktuelle Verfahrgeschwin digkeit anzupassen. Die Steuerlogik 670 empfängt die Informa tionen über die Verfahrgeschwindigkeit beispielsweise über ei nen 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 entspre chend. Die Steuerlogik 690 steuert hierzu die momentane Fil terlänge des Digitalfilters 690 dynamisch bzw. paßt dieselbe an die Verfahrgeschwindigkeit an. Zudem kann es vorgesehen sein, daß die Steuerlogik 670 weitere Informationen, wie z. B. durch den Benutzer vorgegebene Auflösungserfordernisse, emp fängt, um das anpaßbare Digitalfilter 690 bzw. dessen momenta ne 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 linearly interpolated with high accuracy between the Θ n values by averaging 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 mean duration 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 speed of travel. The control logic 670 receives the information on 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 instantaneous 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. B. predetermined by the user resolution requirements, emp catches to control the adaptable digital filter 690 or its momenta ne 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 Ad dierer verwendet werden kann, falls das Eingangssignal α be reits 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 Quadra tur stehenden Signalen Usin und Ucos zu ermitteln, die bei spielsweise von einer Meßanordnung, wie sie in den Fig. 1a- 1c 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 should be noted 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 Θ n and the signals Usin and Ucos, which are in quadrature with respect to one another, for example by a measuring arrangement as shown in FIGS . 1a-1c is shown.
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 den 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 Fehler
signals ε nimmt folglich den Wert ε = U0(t)(sin(α)cos(Θ) -
cos(α)sin(Θ)) an. Unter Verwendung der Näherung
As 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 to receive the input signal Usin, and another input is connected to an input 807 of the 4-quadrant adder 610 to the current digital value Θ n to receive. The output of the cosine multiplier 800 is connected to a non-inverting input of the adder 820 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 for the current digital value Θ n to receive. The output of sine multiplier 810 is connected to an inverting input of adder 820 to output the result of multiplying Ucos and sin (Θ n ). The adder 820 outputs the error signal small ε at an output 830 . 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 - Θ
E = 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 error signal ε = U 0 (t) thus generated results. (α - Θ).
Der 4-Quadranten-Addierer kann um eine Korrekturtabelle 840 ergänzt sein, die ebenfalls den aktuellen Digitalwert Θn, emp fängt. Deren Ausgang speist den Digital/Analog-Umsetzer 850, dessen Ausgang wiederum dem Addierer zugeführt wird. Die Kor rekturtabelle 840 kann auch noch zusätzlich das zur anschlie ßend 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 , received. 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 subsequently.
Durch diese Anordnung können Fertigungstoleranzen der Multi plizierer 800 und 810 ausgeglichen werden. Die Korrekturtabel le 840 erzeugt aus dem Digitalwert 807 ein digitales Korrektursignal 860, das im Digital/Analog-Umsetzer 850 in eine ana loges Signal umgesetzt wird, das das ε-Signal um kleine Werte korrigiert. Dies ist im Besonderen wichtig, wenn die im Fol genden beschriebene Demodulation durchgeführt werden soll und die Faktoren der Multiplizierer 800 und 810 für Θn und -Θn zu sammenpassen müssen.With this arrangement, manufacturing tolerances of the multipliers 800 and 810 can be compensated for. The correction table le 840 generates a digital correction signal 860 from the digital value 807 , which is converted in the digital / analog converter 850 into an analog signal which corrects the ε signal 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 be stimmtes Θn in Verbindung mit einem bestimmten Zustand des Trä gersynchronsignals 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.Since Θ tracks the input signal α, a similarly large signal α is always to be expected for a certain Θ n in connection with a certain 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.
Die phasensensitive Demodulation eines mit beispielsweise U0(t) = U1 . cos(ωt) modulierten Paars von Signalen läßt sich ein fach bewerkstelligen, indem bei den Schritten, bei denen das Trägersignal U1 . cos(ωt) < 0 ist, statt Θn ein -Θn rückgekoppelt wird. Durch die Sinusförmigkeit des Trägers nimmt aber die er reichbare Genauigkeit der linearen Interpolation bei konstan ter Filterlänge ab. Es ist auch darauf zu achten, daß die Mit telung möglichst über ein ganze Anzahl von Perioden des Trä gersignals erfolgt.The phase-sensitive demodulation of one with, for example, U 0 (t) = U 1 . cos (ωt) modulated pairs of signals can be easily accomplished by using the steps in which the carrier signal U 1 . cos (ωt) <0, instead of Θ n a -Θ n is fed back. Due to the sinusoidal shape of the carrier but the achievable accuracy of linear interpolation decreases with constant filter length. It is also important to ensure that the mediation 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 be schrieben, 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. 1a- 1c gezeigten Meßanordnungen erzeugt werden, vorgesehen. Referring to FIG. 12, a converter according to a particular embodiment of the present invention will now be described, FIG. 12 showing the block diagram of the converter. The converter is intended for use in digitizing 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 Eingangssigna le 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 Aus gang 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 ent spricht. 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 ei nes 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 Inte grators 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 Inter polationsfilter 980 gibt das gefilterte Signal THETA_OUT an den Ausgang 920 aus, das dem gefilterten digitalen Ausgangs wert entspricht. Ein weiterer Eingang des Quadrantenselektors 975 ist mit dem Eingang 915 verbunden, wobei ein Vorzeichende tektor 985 dazwischengeschaltet ist, um ein das Vorzeichen des Signals UTräger angebendes Signal SYNCH_CMP an den Quadranten selektor 975 auszugeben. Der Quadrantenselektor 975 ist an ei nem 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 Quadranten selektors 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 ge filtered conversion result THETA_OUT is output, an output 925 , at which the voltage UEPSILON is output, which corresponds to the error signal ε, and an output 927 , at which the voltage UINT is present, which corresponds to the integration value. The two inputs 900 and 905 are each connected to the input of a DAC (Digital Analog Converter = Digital tal / analog converter) 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 summer 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 in order to receive 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 a counter control signal CNT_CNTRL. 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 , a sign detector 985 being interposed in order to output a signal SYNCH_CMP indicating the sign of the signal U carrier to the quadrant selector 975 . The quadrant selector 975 is connected at an output to a further input of the DACs 930 and 935 in order to output the signals THETA_CDAC and THETA_SDAC to the same. The output THETA_CDAC of the quadrant selector 975 is connected to another input of the DAC 930 , the output THETA_SDAC to another input of the 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 nichtlinea ren DACs 930 und 935 sind außerdem identisch und realisieren die Multiplikation in zwei der vier Quadranten einer Sinus- bzw. 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 Auf lösung 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 and 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, but the resolution NDAC + 1 is required for THETA_COUNT, so that depending on the sign of Ucarrier and depending on the range of values the 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 Bestim mung 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 da für 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 comprises 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 that for THETA_SDAC to be set. It is assumed that the multipliers realize a factor cos (Θ) for 0 ° <Θ <180 °. The result is the calculation of the THETA_CDAC from THETA_COUNT and carrier according to the fourth column of table 3 and the calculation of THETA_SDAC from THETA_COUNT and carrier according to the sixth column of the table.
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(α)sin(Θ))
ε (t) = U 0 (t). sign (carrier). (sin (α) cos (Θ) - cos (α) sin (Θ))
Dieses Signal wird von dem Zeitpunkt tr ab, da der Integrator
945 durch das Signal RESET_INT von der Steuerlogik 965 rückge
setzt worden ist, in dem invertierenden Integrator 945 inte
griert, wobei das Ergebnis der Integration als das Signal UINT
an die Komparatoren 950-960 ausgegeben wird. Die Zeitabhängig
keit des Signals UINT ist durch folgende Gleichung gegeben:
This signal is integrated in the inverting integrator 945 from the time tr, since the integrator 945 has been reset by the RESET_INT signal from the control logic 965 , the result of the integration being output as the signal UINT to the comparators 950-960 becomes. The time dependence of the signal UINT is given by the following equation:
Hierbei stellt TI die Integrationszeitkonstante des Integrators 945 dar.Here, T I represents the integration time constant of the integrator 945 .
Die Komparatoren 950-960 vergleichen UEPSILON mit UINT. Insbe sondere 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 über prüft, 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 signal UINT with the signal UEPSILON 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 this is the case, 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 je
der aktiven Taktflanke des Taktsignals CLK ändern. Die Steuer
logik 965 steuert den Zustand des Zählers 970 und das Rückset
zen 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 Steuerlo
gik 965 den Schleifenzähler 970 derart, daß, falls
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 reset of the integrator 945 by the signals RESET_INT and CNT_CNTRL after the next clock depending on the signals KI, KH and KL. In the present case, the Steuerlo gik 965 controls the loop counter 970 such that if
- a) das Signal KI aktiv ist, der Schleifenzähler 970 den ge speicherten Schleifenzählerwert THETA_COUNT inkrementiert oder ansonsten dekrementiert, wodurch das Signal THETA_COUNT eine Folge von Werten annimmt, die im Mittel dem Eingangssignal entsprechen.a) the signal CI is active, the loop counter 970 increments the loop counter value stored ge THETA_COUNT or otherwise decremented, whereby the signal THETA_COUNT takes a sequence of values corresponding to the input signal on the average.
- b) das Signal KL oder das Signal KH aktiv ist, d. h. der Betrag des Fehlersignals E sehr groß ist, der Schleifenzähler 970 eine bestimmte Anzahl von Zählerwerten von dem gespeicherten Wert THETA_COUNT abzieht oder zu demselben dazuzählt, so daß hier durch die Nachführung von THETA_COUNT an den Feinquantisie rungsbereich erzielt wird.b the signal KL or the signal CH is active), that is, the magnitude of the error signal e is very large, the loop counter 970 subtracts a predetermined number of counter values from the stored value THETA_COUNT or to one of the same, so that here by the tracking of THETA_COUNT to the fine quantization range is achieved.
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 signal RESET_INT, since the integration is not required. Hereby the loop for tracking THETA_COUNT becomes 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. Hier durch wird UEPSILON viel kleiner, und in den meisten Fällen negativ. Als eine Folge nimmt UTNT zu, bis das Signal K wieder umgeschaltet wird. Auf diese Weise oszilliert das digitale Si gnal 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 ge wonnen 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 DAC in the DACs 930 and 935 are summed up in the integrator 945, namely until the signal KI switches. This makes UEPSILON much smaller, and in most cases negative. As a result, UTNT increases until 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. From the frequency of the occurrence of the values, however, the signal THETA_COUNT with a higher resolution than N DAC + 1 can be obtained by averaging in the digital filter 980 .
Durch das Rücksetzen des Integrators 945 für große Fehlersi gnale 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 wahlwei se unter einer Reduzierung der Abtastrate in der benötigten Auflösung N = NDAC + 1 + NInterp ermitteln, wobei NInterp die durch den Interpolationsfilter 980 hinzugewonnene Auflösung angibt.By resetting the integrator 945 for large error signals UEPSILON, which occur when α changes rapidly, it is ensured that it is not overdriven and goes into saturation. In this case, the integrator 945 is immediately available for interpolation as soon as the signal THETA_COUNT is again in the correct area or the fine quantization area. The signal THETA_COUNT contains the information about the input signal coded with the highest possible sampling rate of the system. This allows the interpolation filter 980 to determine the output signal THETA_OUT optionally by reducing the sampling rate in the required resolution N = N DAC + 1 + N Interp , where N Interp indicates the resolution gained 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 die selbe insbesondere dann vorteilhaft angewendet werden kann, falls schnelle Änderungen des Eingangssignals eine grobere 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 wer den.Having described the invention in the foregoing by way of example, it should be understood that although the apparatus and method of the present invention have been described in relation to signals quadrature with one another, the present invention is applicable to any analog signal is, and the same can be used particularly advantageously if rapid changes in the input signal allow a coarse 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 Ver gleichswerten auszuführen, die sich betragsmäßig voneinander unterscheiden, wodurch eine an die Größe des Fehlersignals an gepaßte Nachführung realisiert werden kann.It is also possible to use the coarse quantization control loop belonging comparators several times and with different ver to perform equivalent values that differ in amount from each other distinguish, whereby one depends on the size of the error signal fit tracking can be realized.
Claims (17)
- a) Bilden eines ersten Differenzwertes (ε) zwischen dem aktuellen digitalen Ausgangswert (Θn) und dem analo gen Eingangssignal (α);
- b) Überprüfen, ob der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) einen vorbestimmten Betrag (S) überschreitet;
- c) falls der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) den vorbestimmten Betrag überschreitet, Nachregeln des digitalen Ausgangswertes (Θn) unter Verwendung eines bestimmten Regelwertes;
- d) falls der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) den
vorbestimmten Betrag nicht überschreitet,
- 1. Bilden eines zweiten Differenzwertes (δ) zwi schen 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 Be trag des ersten Differenzwertes (ε) den vorbe stimmten Betrag nicht überschreitet;
- 2. Vergleichen des zweiten Differenzwertes mit ei nem vorbestimmten Schwellenwert;
- 3. Inkrementieren oder Dekrementieren des digitalen Ausgangswertes abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs in dem Schritt d2).
- a) forming a first difference value (ε) between the current digital output value (Θ n ) and the analog input signal (α);
- b) checking whether the amount of the first difference value (ε) exceeds a predetermined amount (S);
- 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) if the amount of the first difference value (ε) does not exceed the predetermined amount,
- 1. Forming a second difference value (δ) 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 in step d) consistently showed that the Amount of the first difference value (ε) does not exceed the predetermined amount;
- 2. comparing the second difference value with a predetermined threshold value;
- 3. Incrementing or decrementing the digital output value depending on the result of the comparison in step d2).
- 1. falls der zweite Differenzwert (δ) größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, Inkrementieren des digitalen Ausgangswertes (Θn); und
- 2. falls der zweite Differenzwert (δ) kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist, Dekrementieren des digitalen Ausgangswertes (Θn).
- 1. if the second difference value (δ) is greater than the predetermined threshold value, incrementing the digital output value (Θ n ); and
- 2. If the second difference value (δ) is smaller than the predetermined threshold value, decrement the digital output value (Θ n ).
Unterdrücken des Inkrementierens für eine vorbestimmte An zahl 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 d3b) folgenden Teilschritt auf weist:
Unterdrücken des Dekrementierens für eine vorbestimmte An zahl von Malen, seit der Vergleich in dem Schritt d2) durchgehend ergab, daß der zweite Differenzwert (δ) klei ner als der vorbestimmte Schwellenwert ist.4. The method according to claim 3, wherein step d3a) has the following substep:
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 d3b) has the following substep:
Suppressing decrementing for a predetermined number of times since the comparison in step d2) consistently showed that the second difference value (δ) is smaller than the predetermined threshold.
Bilden eines Mittelwertes bezüglich einer variierbaren An zahl von aufeinanderfolgenden Ausgangswerten (Θn); und
Ausgeben des Mittelwertes als gefilterten Ausgangswert in der Sequenz von Ausgangswerten (Θn) anstatt den aufeinan derfolgenden Ausgangswerten (Θn).5. The method according to any one of claims 1 to 4, further comprising the following steps:
Forming an average value with respect to a variable number of successive output values (Θ n ); and
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 ).
Empfangen eines ersten und zweiten Eingangssignals (Usin, Ucos), die zueinander in Quadratur stehen;
Multiplizieren des ersten Eingangssignals (Usin) mit dem Cosinus des digitalen Ausgangswerts (Θn);
Multiplizieren des zweiten Eingangssignals (Ucos) mit dem Sinus des digitalen Ausgangswerts (Θn);
Addieren der Ergebnisse der Multiplikationen; und
Ausgeben der Summe als den ersten Differenzwert (ε).7. The method according to any one of the preceding claims, wherein step a) of forming the first difference value comprises the following steps:
Receiving a first and a second input signal (Usin, Ucos) which are in quadrature with one another;
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 );
Adding up the results of the multiplications; and
Output the sum as the first difference value (ε).
einer Einrichtung (610) zum Bilden eines ersten Differenz wertes (ε) zwischen dem aktuellen digitalen Ausgangswert (Θn) und dem analogen Eingangssignal (α);
einer Einrichtung (640, 650; 655, 660) zum Überprüfen, ob der Betrag des ersten Differenzwertes (ε) einen vorbe stimmten Betrag (S) überschreitet;
einer Einrichtung (670, 680; 965, 970) zum Nachregeln des digitalen Ausgangswertes (Θn) unter Verwendung eines vor bestimmten Regelwertes, falls der Betrag des ersten Diffe renzwertes (ε) den vorbestimmten Betrag (S) überschreitet;
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 Differenzwer tes (ε) den vorbestimmten Betrag (S) nicht überschreitet, zum Vergleichen des zweiten Differenzwertes mit einem vor bestimmten Schwellenwert, und zum Inkrementieren oder Dekrementieren des digitalen Ausgangswertes (Θn) abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs.9. Device for converting an analog input signal (α) into a sequence of digital output values (Θ n ), with
means ( 610 ) for forming a first difference value (ε) between the current digital output value (Θ n ) and the analog input signal (α);
means ( 640 , 650 ; 655 , 660 ) for checking whether the amount of the first difference value (ε) exceeds a predetermined amount (S);
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);
a device ( 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 device for checking ( 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.
eine Einrichtung zum Inkrementieren des digitalen Aus gangswertes (Θn), falls der zweite Differenzwert (δ) grö ßer als der vorbestimmte Schwellenwert ist; und
eine Einrichtung zum Dekrementieren des digitalen Aus gangswertes (Θn), falls der zweite Differenzwert (δ) klei ner als der vorbestimmte Schwellenwert ist. 11. The device according to claim 9 or 10, wherein the device for incrementing or decrementing has the following features:
means for incrementing the digital output value (Θ n ) if the second difference value (δ) is greater than the predetermined threshold value; and
means for decrementing the digital output value (Θ n ) if the second difference value (δ) is smaller than the predetermined threshold value.
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 vorbe stimmte Schwellenwert ist,
und bei der die Einrichtung zum Dekrementieren folgendes Merkmal aufweist:
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 vorbe stimmte Schwellenwert ist.12. The apparatus of claim 11, wherein the means for incrementing comprises:
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 larger than the predetermined threshold value,
and in which the device for decrementing has the following feature:
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.
eine Einrichtung (690; 980) zum Bilden eines Mittelwertes bezüglich eines variierbaren Anzahl von aufeinanderfolgen den Ausgangswerten (Θn) und zum Ausgeben des Mittelwertes als gefilterten Ausgangswert anstatt der aufeinanderfol genden Ausgangswerte (Θn).13. The device according to one of claims 9 to 12, further comprising:
means ( 690 ; 980 ) for forming an average value with respect to a variable number of successive output values (Θ n ) and for outputting the average value as a filtered output value instead of the successive output values (Θ n ).
Einrichtung (670) zum Anpassen der variierbaren Anzahl an eine vorgegebene Ausgaberate. 14. The apparatus of claim 13, further comprising:
Means ( 670 ) for adapting the variable number to a predetermined output rate.
einen Cosinus-Multiplizierer (800) zum Empfangen des ers ten Eingangssignals (Usin) und zum Multiplizieren dessel ben mit dem Cosinus des digitalen Ausgangswerts (Θn);
einen Sinus-Multiplizierer (810) zum Empfangen des zweiten Eingangssignals (Ucos) und zum Multiplizieren desselben mit dem Sinus des digitalen Ausgangswerts (Θn); und
einen Addierer (820), der die Ergebnisse der Multiplikati on des Cosinus- und Sinus-Multiplizierers (800, 810) emp fängt, zum Addieren derselben und Ausgeben der Summe als den ersten Differenzwert (ε).15. Device according to one of claims 9 to 14, wherein the device ( 610 ) for forming the first differential value (ε) receives a first and a second input signal (Usin, Ucos), which are in quadrature with one another, and has the following features :
a cosine multiplier ( 800 ) for receiving the first input signal (Usin) and for multiplying it by the cosine of the digital output value (Θ n );
a 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
an adder ( 820 ) which receives the results of multiplication of the cosine and sine multiplier ( 800 , 810 ) for adding them and outputting the sum as the first difference value (ε).
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