DE3710008A1 - Verfahren zur verringerung eines aus einer folge von impulsfoermigen stoerungen bestehenden digitalen stoersignals in einem digitalen eingangssignal und schaltungsanordnung zum durchfuehren dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verringerung eines aus einer Folge von impulsförmigen Störungen bestehenden Störsignals in einem aus einem digitalen Nutzsignal und dem digitalen Störsignal zusammengesetzten digitalen Eingangssignal, das als Folge amplitudendiskreter Abtastwerte mit einer durch ein Taktsignal bestimmten Abtastfrequenz vorliegt.

In einem Regelsystem treten bei der Messung einer Prozeß­ größe vielfach im Meßsignal Störungen auf. Ein solches Meßsignal enthält ein Nutzsignal, das der Prozeßgröße entspricht, und ein Störsignal, das in der Regel keine Information über das Prozeßgeschehen enthält. Das Stör­ signal bewirkt in einem Regelsystem, daß Änderungen der Prozeßgröße vorgetäuscht werden, die durch das Nutzsignal nicht hervorgerufen werden.

Als Störsignal ist im folgenden ein solches Signal zu verstehen, das eine impulsförmige Störung aufweist. Der Anfang einer solchen impulsförmigen Störung ist dann gegeben, wenn der Betrag der Differenz zweier aufeinander­ folgender Abtastwerte eines digitalen Meßsignals am Impulsanfang größer ist als eine mögliche Betragsänderung zweier aufeinanderfolgender Nutzsignalwerte. Beispiels­ weise werden in elektrischen Regelsystemen solche Stör­ signale durch Schaltvorgänge hervorgerufen, die über eine Stromversorgung auf das Nutzsignal einwirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verringerung eines solchen digitalen Störsignals zu schaffen, bei dem auf einfache Weise ein Ausgangssignal erzeugt wird, das weitgehend dem Nutzsignal entspricht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Eingangssignal als Ausgangssignal verwendet wird, wenn der Betrag der Differenz zwischen dem Eingangssignalwert und dem um einen Takt verzögerten Ausgangssignalwert nicht größer als ein vorgegebener Wert ist, der gleich dem Betrag der maximal möglichen Änderung zweier aufeinanderfolgender Nutzsignal­ werte ist, und daß, wenn der genannte Betrag größer als der vorgegebene Wert ist, als Ausgangssignal ein aus dem Eingangssignal tiefpaßgefiltertes Signal verwendet wird, und daß als Anfangswerte bei der Tiefpaßfilterung der Wert des um einen Takt verzögerten Eingangssignals genommen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, solange keine Störung auftritt, als Ausgangssignal das Eingangssignal abgegeben. Tritt eine impulsförmige Störung auf, d. h. der Betrag der Differenz zwischen dem Eingangssignalwert und dem um einen Takt verzögerten Ausgangssignalwert ist größer als der Betrag der maximal möglichen Änderung zweier aufeinanderfolgender Nutzsignalwerte (vorgegebener Wert), wird als Ausgangssignal ein aus dem Eingangssignal tiefpaßgefiltertes Signal verwendet. Im tiefpaßgefilterten Signal sind die impulsförmigen Störungen weitgehend verringert. Der Beginn einer impulsförmigen Störung wird also durch Vergleich des vorgegebenen Wertes mit der Betragsdifferenz zweier aufeinanderfolgender Eingangs­ signalwerte festgestellt. Der Vergleich bei den nächsten Takten nach Beginn einer impulsförmigen Störung wird zwischen dem vorgegebenen Wert und der Betragsdifferenz des um einen Takt verzögerten tiefpaßgefilterten Signals und des jeweiligen Eingangssignalwertes durchgeführt.

Bei der Tiefpaßfilterung werden Werte zwischengespeichert, die aus früher ermittelten tiefpaßgefilterten Signalwerten abgeleitet sind. Bei Beginn einer Tiefpaßfilterung werden als Anfangswerte daher der Wert des um einen Takt verzögerten Eingangssignalwertes genommen.

Wird eine Tiefpaßfilterung erster Ordnung vorgenommen, so werden zur Bildung des tiefpaßgefilterten Signals das mit einer ersten Zeitkonstante multiplizierte Eingangssignal und das um einen Takt verzögerte und mit einer zweiten Zeitkonstante multiplizierte Ausgangssignal addiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels einer Digital­ rechenanordnung durchgeführt werden. Hierbei wird das digitale Eingangssignal der Digitalrechenanordnung zuge­ führt, welche die einzelnen Verfahrensschritte durchführt und welche ein Ausgangssignal bildet.

Die Erfindung betrifft ferner eine digitale Schaltungs­ anordnung mit einem das Eingangssignal erhaltenden Eingang und mit einem ein Ausgangssignal abgebenden Ausgang zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist eine mit dem Eingang und über ein Register mit dem Ausgang gekoppelte Vergleichsschaltung vorgesehen, welche den Vergleich zwischen dem Betrag der Differenz zwischen dem Eingangssignalwert und dem um einen Takt verzögerten Ausgangssignalwert und dem vorgegebenen Wert durchführt und einen Umschalter steuert, der das Eingangssignal an den Ausgang schaltet, wenn der genannte Betrag nicht größer als der vorgegebene Wert ist, und der das aus dem Eingangssignal in einem wenigstens ein Register umfassenden Tiefpaßfilter erzeugte tiefpaßgefilterte Signal an den Ausgang schaltet, wenn dieser Betrag größer als dieser Wert ist, und weiter sind die Eingänge der jeweiligen Register, wenn der genannte Betrag nicht größer als der vorgegebene Wert ist, mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung gekoppelt.

Bei dieser digitalen Schaltungsanordnung wird aus dem Eingangssignal mittels eines Tiefpaßfilters ein tiefpaßge­ filtertes Signal erzeugt. Dieses Tiefpaßfilter enthält wenigstens ein Register, das als Anfangswert den um einen Takt verzögerten Eingangssignalwert erhält. Die Register in dem Tiefpaßfilter dienen zur Zwischenspeicherung der aus früher ermittelten tiefpaßgefilterten Signalwerten abgeleiteten Werte. Als Anfangswerte werden in die Register der Ausgangssignalwert der Schaltungsanordnung, d. h. der Eingangssignalwert eingelesen. Dazu ist der Eingang eines jeden Registers mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung verbunden, wenn der genannte Betrag nicht größer als der vorgegebene Wert ist. Wenn das tiefpaßgefilterte Signal als Ausgangssignal verwendet wird, können die Register entweder mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters oder mit dem Ausgang der Schaltungs­ anordnung gekoppelt sein. Aus dem Eingangssignalwert und dem um einen Takt verzögerten Ausgangssignalwert wird ein Vergleichswert gebildet, der im Vergleicher mit dem vorgegebenen Wert verglichen wird. Dieser Vergleicher steuert dann einen Umschalter, der entweder das Eingangs­ signal oder das tiefpaßgefilterte Signal an den Ausgang gibt.

Eine einfache digitale Schaltungsanordnung läßt sich mit einem Tiefpaßfilter erster Ordnung realisieren. Dabei ist vorgesehen, daß das Tiefpaßfilter eine erste Multiplika­ tionsstufe, die das Eingangssignal mit der ersten Zeit­ konstante multipliziert, und einen Addierer enthält, der das mit einer zweiten Zeitkonstante in einem zweiten Multiplizierer multiplizierte Ausgangssignal eines Registers, dessen Eingang mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, mit dem Ausgangssignal des ersten Multiplizierers addiert. Hierbei ist der Eingang des einzigen Registers immer mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung verbunden. Einerseits wird daher ein Eingangssignalwert als Anfangswert und andererseits ein tiefpaßgefilterter Signalwert zur weiteren Verarbeitung dem Register zugeführt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein aus einem Nutzsignal und einem Störsignal zusammengesetztes Eingangssignal und ein daraus abge­ leitetes Signal mit einem weitgehend verringerten Störsignal,

Fig. 2 eine erste digitale Schaltungsanordnung zur Durch­ führung des Verfahrens,

Fig. 3 eine zweite digitale Schaltungsanordnung zur Durch­ führung des Verfahrens und

Fig. 4 ein Flußablaufdiagramm zur Erläuterung einzelner Verfahrensschritte in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3.

In Fig. 1a ist ein aus einem Störsignal und einem Nutz­ signal zusammengesetztes Eingangssignal Xe dargestellt, das beispielsweise in einem elektrischen Regelsystem als Meßsignal auftritt. Ein Störsignal wird beispielsweise durch Schaltvorgänge hervorgerufen. Dieses Störsignal kann dann über die Energieversorgung auf das Nutzsignal einwirken. Als Störsignal ist im folgenden ein solches Signal zu verstehen, das eine impulsförmige Störung aufweist. Der Anfang einer solchen impulsförmigen Störung ist nur dann gegeben, wenn der Betrag der Differenz zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte des digitalen Meßsignals größer ist als eine mögliche Betragsänderung (vorgegebener Wert) zweier aufeinanderfolgender Werte eines digitalen Nutzsignals.

In Fig. 2 ist eine digitale Schaltungsanordnung darge­ stellt, mit der ein Verfahren zur Verringerung des digitalen Störsignals durchgeführt wird. Das Eingangs­ signal Xe liegt als binär codierter Abtastwert mit einer Auflösung von beispielsweise 8 Bit vor. Dieses Eingangs­ signal Xe wird einem in einem Tiefpaßfilter 1 enthaltenen Multiplizierer 2 zugeführt. Der Multiplizierer 2 multipli­ ziert das Eingangssignal Xe mit einer ersten Zeit­ konstante T 1, die von einem Speicher 3 geliefert wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 2 wird in einem Addierer 4 mit einem Ausgangssignal eines weiteren Multiplizierers 5 addiert. Das Ausgangssignal des Addierers 4 bildet das Ausgangssignal Xr des Tiefpaß­ filters 1. Der Ausgang des Addierers 4, der auch der Ausgang 6 des Tiefpaßfilters 1 ist, ist mit einem Eingang 7 eines Umschalters 8 verbunden. Dem anderen Eingang 9 des Umschalters 8 wird das digitale Eingangs­ signal Xe geliefert. Am Ausgang 10 des Umschalters 8 liegt das Ausgangssignal Xa der Schaltungsanordnung vor, das einerseits einem im Tiefpaßfilter 1 enthaltenen Register 11 und einem weiteren Register 16 zugeführt wird. Der Ausgang 12 des Registers 11 ist an einen ersten Eingang 13 des Multiplizierers 5 angeschlossen. Dem anderen Eingang 14 des Multiplizierers 5 wird eine zweite Zeitkonstante T 2 von einem Speicher 17 geliefert, wobei T 2 = 1- T 1 ist. Ist der Eingang 7 des Umschalters 8 mit seinem Ausgang 10 verbunden, so bildet die aus den Elementen 2, 3, 4, 5, 8, 11 und 17 zusammengesetzte Schaltung ein Tiefpaßfilter erster Ordnung.

Das Eingangssignal Xe wird des weiteren einer in einer Vergleichsschaltung 15 enthaltenen Überlagerungsschal­ tung 18 zugeführt, die andererseits das um einen Takt im Register 16 verzögerte Ausgangssignal Xa erhält. In der Überlagerungsschaltung 18 wird das um einen Takt verzögerte Ausgangssignal Xa vom Eingangssignal Xe subtrahiert. Das Ausgangssignal der Überlagerungsschal­ tung 18 wird einem ebenfalls in der Vergleichsschaltung 15 enthaltenen Betragsbildner 19 zugeführt, der den Betrag der Differenz bildet. In einem Vergleicher 20 wird das Ausgangssignal des Betragsbildners 19 mit einem in einem Speicher 21 gespeicherten Wert G verglichen. Der Vergleicher 20 und der Speicher 21 sind ebenfalls Elemente der Vergleichsschaltung 15. Der vorgegebene Wert G entspricht dem maximal möglichen Betrag der Differenz zweier aufeinanderfolgender Nutzsignalwerte. Wenn der Vergleicher 20 feststellt, daß das vom Betragsbildner 19 gelieferte Signal größer als der Wert G ist, steuert der Vergleicher 20 den Umschalter 8 so, daß dieser seinen Eingang 7 mit seinem Ausgang 10 verbindet. Stellt der Vergleicher aber fest, daß der Ausgangssignalwert des Betragsbildners 19 kleiner oder gleich dem vorgegebenen Wert G ist, steuert dieser den Umschalter 8 so, daß der Eingang 9 des Umschalters mit seinem Ausgang 10 verbunden wird. Sobald die Vergleichsschaltung 15 also festgestellt hat, daß der Betrag der Differenz zweier aufeinander­ folgender Eingangssignalwerte größer als der Betrag der Differenz der maximal möglichen Nutzsignaländerung ist, wird nicht mehr das Eingangssignal als Ausgangssignal verwendet, sondern das aus dem Eingangssignal erzeugte tiefpaßgefilterte Signal Xr. Als Anfangswert für das Tiefpaßfilter 10 wird dabei der letzte Eingangssignalwert genommen, der im Register 11 abgespeichert ist. Im folgenden werden dann im Register 11 die tiefpaßge­ filterten Signalwerte abgespeichert. Mit Hilfe des Tiefpaßfilters 1 werden dann die impulsförmigen Störungen weitgehend verringert.

Der zeitliche Verlauf der Erzeugung eines Ausgangs­ signals Xa verläuft so, daß, nachdem der Vergleich in der Vergleichsschaltung 15 durchgeführt worden ist, der Umschalter 8 in die erforderliche Stellung gesetzt wird und dann ein Ausgangssignal Xa am Ausgang 10 des Umschalters 8 vorliegt, der mit dem nächsten Takt von einer an diese Schaltungsanordnung angeschlossenen weiteren Schaltung übernommen werden kann.

Ein mögliches aus dem Eingangssignal Xe mit der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 2 ermitteltes Ausgangs­ signal Xa ist in Fig. 1b dargestellt. Hieraus kann man ersehen, daß die impulsförmigen Störungen, die im Eingangssignal Xe aufgetreten sind, weitgehend reduziert worden sind.

Einige der hier dargestellten Schaltelemente sind noch mit einem nicht näher dargestellten Taktsignalgenerator verbunden.

Eine weitere Realisierung der Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wird einer Digitalrechen­ anordnung 25 an ihrem Eingang 26 das Eingangssignal Xe zugeführt. Die Digitalrechenanordnung 25 umfaßt einen Mikroprozessor 27, einen Festwertspeicher 28 (ROM), einen Schreib/Lesespeicher 29 (RAM), einen Eingabebaustein 30 und einen Ausgabebaustein 31. Der Eingang 26 der Digital­ rechenanordnung 25 ist auch ein Eingang des Eingabe­ bausteins 30. Der Eingabebaustein 30 weist einen weiteren hier nicht näher dargestellten Eingang auf, der mit einer ebenfalls hier nicht näher dargestellten Eingabeanordnung verbunden ist, in der beispielsweise die beiden Zeitkonstanten eingestellt werden. Der Mikro­ prozessor 27 ist mit den einzelnen Bausteinen, d. h. Fest­ wertspeicher 28, Schreib/Lesespeicher 29 und den Ein- und Ausgabebausteinen 30 und 31 über Steuer-, Daten- und Adressenleitungen verbunden. Im Festwertspeicher 28 ist ein Programm abgespeichert, das der Mikroprozessor 27 ausführt. Im Schreib/Lesespeicher 29 werden veränderbare Daten während des Rechenvorgangs abgespeichert. In der Digitalrechenanordnung 25 wird ein digitales Ausgangs­ signal Xa erzeugt, das über den Ausgabebaustein 31 abgegeben wird.

Mit Hilfe des in Fig. 4 dargestellten Flußablaufdiagramms werden die einzelnen Verfahrensschritte erläutert, die zur Erzeugung des Ausgangssignals Xa dienen. Wie in Block 34 dargestellt ist, wird zuerst ein Eingangssignalwert Xe eingelesen. Im nächsten Programmschritt wird, wie in Block 35 dargestellt ist, ein Wert des tiefpaßgefilterten Signals nach folgender Gleichung berechnet:

Xr : = T 2 Xa (alt) + T 1 Xe,

wobei T 1 die erste und T 2 (T 2 = 1 - T 1) die zweite Zeit­ konstante und Xa (alt) der beim vorherigen Programmablauf berechnete Wert des Ausgangssignals Xa sind. Die in Block 35 dargestellte Gleichung ist die Zeitfunktion im diskreten Bereich für ein Tiefpaßfilter erster Ordnung. Mit diesem Programmschritt wird also ein Tiefpaßfilter erster Ordnung nachgebildet.

Im nächsten Programmschritt (Block 36) wird ein Wert A erzeugt, in dem der beim vorherigen Programmablauf berechnete Wert des Ausgangssignals Xa vom Eingangssignal­ wert Xe subtrahiert wird und anschließend der Betrag der Differenz gebildet wird:

A : = |Xe - Xa (alt)|.

Der in Block 36 erzeugte Wert A wird in Block 37 mit einem Wert G verglichen, der dem vorgegebenen Wert entspricht. Wenn der Wert A größer als G ist, wird der Ausgangssignal­ wert Xa gleich dem tiefpaßgefilterten Signalwert Xr gesetzt (Block 38) und wenn der Wert A nicht größer als der vorgegebene Wert G ist, wird der Ausgangssignalwert Xa gleich dem Eingangssignalwert Xe gesetzt (Block 39). Dieser Ausgangssignalwert Xa kann nun von einer weiteren Schaltungsanordnung, die an die Digitalrechenanordnung 25 angeschlossen ist, weiter verarbeitet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verringerung eines aus einer Folge von impulsförmigen Störungen bestehenden Störsignals in einem aus einem digitalen Nutzsignal und dem digitalen Störsignal zusammengesetzten digitalen Eingangs­ signal (Xe), das als Folge amplitudendiskreter Abtastwerte mit einer durch ein Taktsignal bestimmten Abtastfrequenz vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal (Xe) als Ausgangssignal (Xa) verwendet wird, wenn der Betrag der Differenz zwischen dem Eingangssignalwert (Xe) und dem um einen Takt verzögerten Ausgangssignalwert (Xa) nicht größer als ein vorgegebener Wert (G) ist, der gleich dem Betrag der maximal möglichen Änderung zweier aufeinander­ folgender Nutzsignalwerte ist, und daß, wenn der genannte Betrag größer als der vorgegebene Wert (G) ist, als Ausgangssignal (Xa) ein aus dem Eingangssignal (Xe) tiefpaßgefiltertes Signal (Xr) verwendet wird, und daß als Anfangswerte bei der Tiefpaßfilterung der Wert des um einen Takt verzögerten Eingangssignals (Xe) genommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des tiefpaßge­ filterten Signals (Xr) das mit einer ersten Zeit­ konstante (T 1) multiplizierte Eingangssignal (Xe) und das um einen Takt verzögerte und mit einer zweiten Zeit­ konstante (T 2) multiplizierte Ausgangssignal (Xa) addiert werden.

3. Digitale Schaltungsanordnung mit einem das Eingangssignal (Xe) erhaltenden Eingang und einem ein Ausgangssignal (Xa) abgebenden Ausgang zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Eingang und über ein Register (16) mit dem Ausgang gekoppelte Vergleichs­ schaltung (15) vorgesehen ist, welche den Vergleich zwischen dem Betrag der Differenz zwischen dem Eingangs­ signalwert (Xe) und dem um einen Takt verzögerten Ausgangssignalwert (Xa) und dem vorgegebenen Wert (G) durchführt und einen Umschalter (8) steuert, der das Eingangssignal (Xe) an den Ausgang schaltet, wenn der genannte Betrag nicht größer als der vorgegebene Wert (G) ist, und der das aus dem Eingangssignal (Xe) in einem wenigstens ein Register (11) umfassenden Tiefpaßfilter (1) erzeugte tiefpaßgefilterte Signal (Xr) an den Ausgang schaltet, wenn dieser Betrag größer als dieser Wert (G) ist, und daß die Eingänge der jeweiligen Register (11), wenn der genannte Betrag nicht größer als der vorgegebene Wert (G) ist, mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung gekoppelt sind.

4. Digitale Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (1) eine erste Multiplikationsstufe (2), die das Eingangs­ signal (Xe) mit der ersten Zeitkonstante (T 1) multipli­ ziert, und einen Addierer (4) enthält, der das mit einer zweiten Zeitkonstante (T 2) in einem zweiten Multipli­ zierer (5) multiplizierte Ausgangssignal eines Registers (11), dessen Eingang mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, mit dem Ausgangssignal des ersten Multiplizierers (2) addiert.