DE3523429A1 - Integrierende elektronische multiplizierschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierende elektronische Multiplizierschaltung zur Multiplikation analoger Größen A und B mit jeweils einem Umsetzer, der digital zu verarbeitende Signale ausgibt, für jede analoge Größe sowie mit einem Akkumulator zur vorzeichenrichtigen Speicherung des zeitintegralen Produkts der analogen Größen.

Die zu multiplizierenden analogen Eingangsgrößen können weitgehend beliebige physikalische Größen sein, welche gegebenenfalls nach Umwandlung in ein elektrisches Signal bei den bekannten Schaltungen jeweils einem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt werden. Am Ausgang dieser Umsetzer werden den Eingangsgrößen proportionale digitale Werte geliefert, welche zur Produktbildung einem Mikroprozessor oder einer digitalen Multiplizierschaltung zugeführt werden. Zur Multiplikation zeitlich veränderlicher Eingangsgrößen ist eine mehrfache Abtastung von Augenblickswerten erforderlich, so daß es sich bei den bekannten Schaltungen um ein diskretes Verfahren handelt. Nachteilig ist bei den vorgenannten Schaltungen, daß für die Produktbildung vergleichsweise teure Bauelemente erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Multiplizierschaltung der einleitend genannten Art so weiterzubilden, daß die Multiplikation mit einfacheren und billigeren Bauteilen möglich ist.

Die Lösung der Aufgabe kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß einer der Umsetzer als Analog-Digital-Umsetzer ausgebildet ist und mit dem Akkumulator zur Einspeisung der zur analogen Größe A proportionalen Zahlenwerte Z = C ₁* A mit der Umsetzer-Konstanten C ₁ verbunden ist, während der andere Umsetzer als Analog-Frequenz-Wandler ausgebildet ist, dessen Ausgangssignal mit zur analogen Größe B proportionalen Frequenzen f _o = 1/T _o = C _2* B mit der Umsetzer-Konstanten C ₂ während der Integrationszeit T als Schaltsignal zur Addition der Zahlenwerte Z dem Akkumulator zugeführt wird, dessen Inhalt dem Zahlenwert K =T * entspricht.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist gegenüber der bekannten Schaltung ein Analog-Digital-Umsetzer durch einen Analog-Frequenz-Wandler ersetzt. Ein besonderer Vorteil der neuen Schaltung besteht darin, daß weder ein Mikroprozessor noch eine digitale Multiplizierschaltung für die Multiplikation erforderlich ist. Die Produktbildung der analogen Eingangsgrößen erfolgt durch Addition bzw. Subtraktion der Zahlenwerte im Akkumulator. Dieser Vorgang kann schneller und mit weniger programmier- oder schaltungstechnischem Aufwand als eine Multiplikation durchgeführt werden. Außerdem ist ein Analog-Frequenz-Wandler billiger als ein hinsichtlich der Genauigkeit gleichwertiger Analog-Digital-Umsetzer. Wegen der weitgehend digitalen Signalverarbeitung in der neuen Schaltung ist nur eine geringe Anzahl von Einstellelementen erforderlich. Die erfindungsgemäße Schaltung kann somit auf einem Halbleiterchip besonders einfach integriert werden. Sind A und/oder B zeitabhängige Größen, müssen die entsprechenden Integrale berücksichtigt werden.

Eine zweckmäßige Ausführungsform ergibt sich, wenn dem Analog-Digital-Umsetzer und dem Analog-Frequenz-Wandler jeweils ein Bipolar-Unipolar-Umformer vorgeschaltet ist, und wenn die analogen Größen zur Bestimmung des Vorzeichens und der Phasenlage jeweils einem Komparator zugeführt werden, dessen Ausgänge mit den Eingängen eines Exklusiv-Oder-Gatters verbunden sind, welches ausgangsseitig mit dem Akkumulator in Verbindung steht. Hierbei werden dem Umsetzer und dem Wandler unipolare Signale zugeführt. Die Information über die Vorzeichen der beiden Signale werden mittels der Komparatoren gewonnen, deren Ausgangssignale über das Gatter dem Akkumulator zugeleitet werden.

Eine einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn der Bipolar-Unipolar-Umformer als Gleichrichter ausgebildet ist. Somit erhält man eine einfache Schaltung zur Erzeugung der unipolaren analogen Signale für die Eingänge des Umsetzers und des Wandlers.

Eine hierzu alternative Ausführungsform ergibt sich, wenn das unipolare Signal für den Analog-Digital-Umsetzer durch Addieren eines konstanten Offsets bekannter Größe zum Eingangssignal erzeugt wird und durch digitale Subtraktion einer entsprechend großen Zahl C vom Ausgangswert des Analog-Digital-Umsetzers das richtige Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsgröße wiederhergestellt wird. Der so durch Rechnung entstandene Wert enthält auch die Information über das Vorzeichen des Eingangssignals, so daß der Komparator verzichtbar wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Schaltung ist durch einen Mikroprozessor gekennzeichnet, von welchem ein Interrupt-Eingang mit dem Ausgang des Analog-Frequenz-Wandlers verbunden ist. Hierbei ist vorteilhaft, daß der Prozessor nicht in Echtzeitbetriebsart arbeitet, sondern im Interruptmodus betrieben wird. Das ermöglicht dem Prozessor während des Integrier- und damit Multipliziervorgangs weitere Funktionen auszuführen. Hierbei ist der Akkumulator keine diskrete Digitalschaltung, sondern durch das Mikroprozessorprogramm realisiert.

Eine weitere Ausführungsform ergibt sich, wenn zur Bildung eines digitalen Elektrizitätszählers mit dem elektrischen Strom und der Spannung als zu messende analoge Größen A und B dem Akkumulator ein Impulszählwerk zur Registrierung und Anzeige der beim Überlauf des Akkumulators erzeugten Impulse nachgeschaltet ist. Hierbei ist der Inhalt des Akkumulators der gemessenen Energie proportional. Wenn der Akkumulatorinhalt eine fest vorgegebene Zahl erreicht, gibt er einen Impuls ab, so daß eine Überlauffrequenz definiert werden kann. Durch Summieren der Pulse in dem Impulszählwerk ergibt sich die Funktionsweise des digitalen Elektrizitätszählers.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels nachstehend näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild der elektronischen Multiplizierschaltung in der Ausführung als digitaler Elektrizitätszähler,

Fig. 2: eine Schaltung gem. Fig. 1 mit einem zusätzlichen Subtrahierer.

In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 sind die analogen Eingangsgrößen A und B, die zeitveränderlich sein können, von der zu messenden Spannung und dem zu messenden Strom abgeleitet. Die als Wechselgröße bipolare analoge Größe A wird mittels eines Bipolar-Unipolar-Umformers 1 in eine unipolare Größe umgewandelt. Dieses unipolare Signal steht am Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers 2 zur Verfügung, welcher ausgangsseitig zur Eingangsgröße A proportionale Zahlenwerte Z = C ₁*A liefert, wobei C ₁ die Umsetzerkonstante des Analog-Digital-Umsetzers 2 ist. Die zweite analoge Größe B wird über einen weiteren Bipolar-Unipolar-Umformer 3 ebenfalls umgeformt und auf einen Analog-Frequenz-Wandler 4 gegeben, dessen Ausgangsfrequenzen f _O zur analogen Größe B proportional sind. Hierfür gilt die Gleichung f _o = C ₂*B, mit der Wandlerkonstanten C ₂.

Zur Bestimmung der Vorzeichen und Phasenlage der analogen Größen A und B dienen Komparatoren 5 und 6, deren Ausgangssignale auf den Eingang eines Exklusiv-Oder-Gatters 7 geleitet werden. Somit wird die Information über das Vorzeichen des Produktes der Meßgrößen einem Akkumulator 8 übermittelt.

In den Akkumulator 8 werden außerdem die vom Analog-Digital-Umsetzer 2 erzeugten Zahlenwerte Z eingegeben. Weiterhin werden dem Akkumulator 8 die vom Analog-Digital-Wandler 4 ausgegebenen Signale als Schaltsignale zugeführt. Sobald am Ausgang des Analog-Frequenz-Wandlers Signalflanken mit gleichen Vorzeichen erscheinen, wird der am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers anstehende Zahlenwert Z unter Berücksichtigung der am Exklusiv-Oder-Gatter 7 ausgegebenen Information zum Inhalt des Akkumulators 8 addiert oder davon subtrahiert.

Für den einfachen Fall, daß die Meßgrößen A und B konstant sind und deren Produkt ein positives Vorzeichen hat, gilt folgendes:

Wenn der Inhalt des Akkumulators nach der Zeit T die Zahl K ist, dann ist die Zahl Z T/T _o -mal addiert worden, so daß folgende Gleichung gilt: K/T = Z/T_o = Z*f₀ = C₁*C₂*A*B

Sofern die Größe A der Spannung und die Größe B dem Strom entspricht, ist der Inhalt des Akkumulators der Energie proportional. Wird der Akkumulator so konstruiert, daß er jeweils einen Impuls abgibt, wenn der Akkumulatorinhalt eine fest vorgegebene Zahl K erreicht, dann gilt für die so entstehende Überlauffrequenz: f = 1/T = C₁*C₂*A*B/K

Durch Summieren der Pulse mit einem dem Akkumulator 8 nachgeschalteten Zähler 9 erhält man den digitalen Elektrizitätszähler. Sein systematischer Fehler wird um so geringer, je höher die maximale Ausgangsfrequenz des Analog-Frequenz-Wandlers und je höher die Auflösung des Analog-Digital-Umsetzers ist, die auch durch Addition eines Superpositionssignals verbessert werden kann, welches dem Eingangssignal des Analog-Digital-Umsetzers 2 überlagert ist.

Durch definierte Eigenschaften des Superpositionssignals wird erreicht, daß der Mittelwert des Quantisierungsfehlers des Analog-Digital-Umsetzers mit zunehmender Integrationszeit gegen Null strebt. Das Superpositionssignal nimmt innerhalb des Intervalls (-S, +S) sämtliche möglichen Augenblickswerte während der Integrationszeit mit derselben Häufigkeit an. Hierbei darf sich eine einmal aufgetretene Zuordnung vom Augenblickswert des von der Meßgröße abgeleiteten Signals zum Augenblickswert des Superpositionssignals während der Integrationszeit nicht wiederholen. Dabei ist S ein Wert, der größer oder gleich einer halben Quantisierungseinheit des digitalisierenden Analog-Digital-Umsetzers ist.

Das Superpositionssignal kann beispielsweise Rauschen sein, dessen Augenblickswerte sämtliche Werte innerhalb des genannten Intervalls mit derselben Häufigkeit durchlaufen. Weiterhin kann das Superpositionssignal eine periodische Funktion mit der Amplitude S sein, wobei die Augenblickswerte linear von der Zeit abhängen.

Durch die vorgenannte Maßnahme kann beispielsweise mit einem 8-Bit-Umsetzer eine Meßunsicherheit erreicht werden, die sonst nur durch höher auflösende und damit teurere Umsetzer oder durch aufwendige und kostspielige Vorrichtungen zur Bereichsumschaltung erzielt werden können.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung unterscheidet sich gegenüber der Anordnung in Fig. 1 durch einen zusätzlichen Subtrahierer 10 sowie durch Verzicht auf den Komparator 5 und das Gatter 7. Hierbei ist der Biopolar-Unipolar-Umformer 1 als Addierer ausgebildet, mit dessen Hilfe dem zu messenden Analogsignal A ein konstantes unipolares Offset-Signal hinzugefügt wird. Der Betrag des Offset-Signals ist so zu wählen, daß das Summensignal jederzeit unipolar ist. Der hierdurch erzeugte Fehler wird durch entsprechende Subtraktion einer Konstanten C im Subtrahierer 10 korrigiert. Somit sind der bei Fig. 1 vorhandene Komparator 5 und das Gatter 7 bei der Schaltung nach Fig. 2 nicht erforderlich.

Claims (9)

1. Integrierende elektronische Multiplizierschaltung zur Multiplikation analoger Größen A und B mit jeweils einem Umsetzer, der digital zu verarbeitende Signale ausgibt, für jede analoge Größe sowie mit einem Akkumulator zur vorzeichenrichtigen Speicherung des zeitintegralen Produkts der analogen Größen, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Umsetzer als Analog-Digital-Umsetzer (2) ausgebildet ist und mit dem Akkumulator (8) zur Einspeisung der analogen Größe A proportionalen Zahlenwerte Z = C ₁*A mit der Umsetzer-Konstanten C ₁ verbunden ist, während der andere Umsetzer als Analog-Frequenz-Wandler (4) ausgebildet ist, dessen Ausgangssignal mit zur analogen Größe B proportionalen Frequenzen f _o = 1/T _o = C ₂*B mit der Umsetzer-Konstanten C ₂ während der Integrationszeit T als Schaltsignal zur Addition der Zahlenwerte Z dem Akkumulator (8) zugeführt wird, dessen Inhalt dem Zahlenwert K = T* 1/T _o *Z entspricht.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analog-Digital-Umsetzer (2) und dem Analog-Frequenz-Wandler (4) jeweils ein Bipolar-Unipolar-Umformer (1, 3) vorgeschaltet ist, und daß die analogen Größen zur Bestimmung des Vorzeichens und der Phasenlage jeweils einem Komparator (5, 6) zugeführt werden, deren Ausgänge mit den Eingängen eines Exklusiv-Oder-Gatters (7) verbunden sind, welches ausgangsseitig mit dem Akkumulator (8) in Verbindung steht.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bipolar-Unipolar-Umformer (1, 3) als Gleichrichter ausgebildet ist.

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das unipolare Signal für den Analog-Digital-Umsetzer, (2) durch Addieren eines konstanten Offsets bekannter Größe zum Eingangssignal erzeugt wird und durch digitale Subtraktion einer entsprechend großen Zahl C vom Ausgangswert des Analog-Digital-Umsetzers (2) das richtige Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsgröße wiederhergestellt wird.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor, von welchem ein Interrupt-Eingang mit dem Ausgang des Analog-Frequenz-Wandlers verbunden ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines digitalen Elektrizitätszählers mit dem elektrischen Strom und der Spannung als zu messende analoge Größen A und B dem Akkumulator (8) ein Impulszählwerk (9) zur Registrierung und Anzeige der beim Überlauf des Akkumulators (8) erzeugten Impulse nachgeschaltet ist.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen eines mit wachsender Integrationszeit gegen Null strebenden mittleren Quantisierungsfehlers des Analog-Digital-Umsetzers (2) zur analogen Größe A ein Signal addiert wird, welches innerhalb des Intervalls (-S, +S) sämtliche möglichen Augenblickswerte während der Integrationszeit mit derselben Häufigkeit annimmt, wobei S ein Wert größer oder gleich einer halben Quantisierungsstufe des Analog-Digital-Wandlers (2) ist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das der analogen Größe A hinzugefügte Signal gleichverteiltes Rauschen mit dem Maximalwert S ist.

9. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zur analogen Größe A hinzugefügte Signal eine periodische Funktion mit der Amplitude S ist, deren Augenblickswerte linear von der Zeit abhängen, und sich Zuordnungen von Augenblickswert der Meßgröße A und Augenblickswert des hinzugefügten Signals während der Integrationszeit nicht wiederholen.