DD282544A5 - Verfahren und anordnung zur mehrdimensionalen erfassung von analogsignalen durch signalabtastung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erfassung von Analogsignalen durch Signalabtastung in Meszgeraeten mit digitaler Speicherung der Meszergebnisse. Es ist vor allem dort vorteilhaft einsetzbar, wo Zusammenhaenge zwischen mehreren Signalen untersucht werden sollen und eines oder mehrere dieser Signale stochastisch oder in einer anderen, nicht steuerbaren Weise veraenderlich sind. Die Erfindung beruht auf einer digitalen Verarbeitung der Meszwerte, wobei mindestens eines der Eingangssignale die Adresse im Meszwertspeicher mitbestimmt, auf dem die Abtastdaten der anderen Eingangssignale gespeichert werden. Die erhaltenen Abtastdaten werden auf diese Weise sortiert, so dasz eine mehrdimensionale Darstellung von Signalkennwerten oder von Zeitverlaeufen entsteht.{mehrdimensionale Erfassung; Analogsignale; Signalabtastung; Meszwertspeicher; digitale Speicherung; mehrdimensionale Darstellung; Signalkennwerte; Zeitverlaeufe}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Dio Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur mehrdimensionalen Erfassung von Analogsignalen durch Signalabtastung in Meßgeräten mit digitaler Speicherung der Meßergebnisse. Sie ist vor allem dort vorteilhaft einsotzbar, wo Zusammenhänge zwischen mehreren Signalen untersucht weru'en sollen und eines oder mehrere dieser Signale stochastisch oder in einer anderen, nicht steuerbaren Weise veränderlich sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Messung schnell ablaufender Prozesse werden wegen der erreichbaren hohen Zeitauflösung !läufig Abtastverfahren (Samplingverfahren) verwendet.

Diese Verfahren sind an wiederholbare Signale gebunden und beruhen darauf, daß aus dem Meßsignal in jeder Signalperiode mit einer Abtastschaltung ein Abtastwert entnommen wird.

Der gesuchte Signalverlauf wird anschließend aus den einzelnen Abtastwerten rekonstruiert.

Zur Messung des Zei*«erlaufes eines Signales wird der Abtastzeitpunkt durch eine steuerbare Verzögerung der Abtastung schrittweise über do Signal geschoben. Es ist aber auch möglich, den Abtastpunkt fest auf einen bestimmten Zeitpunkt des Signales einzustellen und einer» Deiiebigen anderen Parameter im untersuchten System definiert zu verändern. Man erhält in diesem Falle die Abhängigkeit des Signales von diesem Parameter zum abgetasteten Zoitpunkt.

Dps Verfahren wird häufig mit einer Signal-Mittelwertbildung verbunden, indem jeweils mehrere Abtastwerte gemittelt werden, die zum gleichen Zeitpunkt bzw. zum gleichen Parameterwert gehören, aber aus verschiedenen Signaiperioden stammen.

Außerdem ist es möglich, mit mehreren Abtastschaltungen gleichzeitig mehrere Eingangssignale zu verarbeiten.

Solche Meßverfahren werden vor allem in Samplingoszillographen und Boxcarintegratoren (Becker, W.:

Signalmittelwertbildung nach dem Boxcarverfahren, radio fernsehen elektronik, 28 [1979] 7, S.415-418; DD-PS 113408, G01 R, 13/04) angewendet. Moderne Geräte dieser Art sind mit einem internen Mikrorechner ausgerüstet, der die· gemessenen Daten speichert und weiterverarbeitet.

Die beschriebenen Meßverfahren habon den Vorteil, daß die erreichbare Zeitauflösung nur durch die Torbreite der Abtastschaltung und durch die Genauigkeit der Vorzögerungssteuerung begrenzt ist.

Der entscheidende Nachteil besteht darin, daß diese Verfahren nicht anwendbar sind, wenn das Signal in verschiedenen Signalperioden ment genau gleich ist. Handelt es sich nur um Amplitudenänderungen der Eingangssignale, so können die entstehenden Fehler noch durch eine Verhältnisbildung zwischen mehreren gleichzeitig gemessenen Eingangssignalen eliminiert werden. In vielen Fällen ändert sich aber auch die Form der Signale. In diesen Fällen ist das Verfahren nicht anwendbar, da sowohl die Rekonstruktion der Kurven aus den Abtastwerten als auch die Mitteilung der Abtastwe -te unzulässig ist. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, benutzten bisher (vgl. L.M.Jones, G.R.Leroi, CA.Myerholtz, C.G.Enko: Intelligent Multichannel Dataaquisition System for Pulsed Laser Applications. Rev. Sei. Instrum. 55 [1984), 204-209) bekannte Lösungen eine begrenzte Zahl voneinander unabhängiger Abtasterschaltungen mit deren Hilfe das Eingangssignal mehrmals innerhalb einer Signalperiode erfaßt wird. Typisch sind in diesem Fall getrennte Signalerfassungs- und Verarbeitungsstrukturen. Ein typisches, mit der beschriebenen Methode nicht lösbares Meßproblem ist z.B. die Untersuchung eines nichtlincaren Systems mit Hilfe eines System-Eingangssignales mit stochastisch vei änderlicher Amplitude und Impulsform. Am Ausgang des Systems sind sowohl die Amplitude als auch der Zeitverlauf der Signale veränderlich, so daß diese nicht mehr gleichzeitig erfaßt und verarbeitet werden können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, auch Eingangssignale, die stochasiischen oder sonstigen nicht steuerbaren Änderungen unterliegen, ohne größeren Aufwand erfassen zu können.

Dailegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren und eine Anordnung anzugeben, die es erlauben, im Falle veränderlicher Eingangssignale Messungen von Zoitverläufen, Messungen der Abhängigkeit eines Zeitverlaufes von bestimmten Signalparametern und Messungen der Abhängigkeit verschiedener Eingangssignale untereinander durchzuführen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst:

Mehrere Gruppen von Eingangssignalen werden mit jeweils getrennt einstellbarer, aber auf einen gemeinsamen Triggerimpuls bezogener Verzögerung ah-atasiet. Die Ausgangssignale der Abtaster werden von Analog-Digital-Wandlern gewandelt. Jeder der Abtaster-Gruppen ist eine digitale Signalverarbeitungsstruktur zugeordnet, die aus den gewandelten Abtastwerten ein gemeinsames Datenwort erzeugt.

Das System enthält weiterhin eine Steuerung, die eines oder mehrere Datenworte erzeugt, die über Digital-Analog-Wandler die Verzögerungen der einzelnen Abtaster-Gruppen steuern können. Dan* it können in den Abtaster-Gruppen entweder feste Zeitpunkte der Signale abgetastet werden, oder der Abtastzeitpunkt wird zur Messung von Zeitfunktionen in jeder Signalperiode um einen wählbaren Betrag verschoben.

Zur Speicherung der Meßergebnisse dient ein digitaler Datenspeicher, der seine Daten von der ersten Abtastergruppe erhält. Die Ausgangsworte der weiteren Abtaster-Gruppen werden dem Speicher nicht als Daten zugeführt, sondern als Teil der Adresse. Diese wird aus den Ausgangs-Datenworten dieser Abtastergruppen und (bei Bedarf) dem Ausgangs-Datenwort der Steuerung gebildet.

Mit Hilfe der von den zusätzlichen Abtaster-Gruppen gelieferten Adressen-Teile ist es möglich, die von der ersten Abtaster-Gruppe gelieferten Datenworte zu klassifizieren, d. h. im Speicher nach den ,"-gebnissen der Abtastung in den zusätzlichen Abtaster-Gruppen sortiert abzulegen.

Man erhält damit im Spoicher eine mehrdimensionale Abhängigkeit der Daten der ersten Abtastergruppe von den Daten der anderen Abtaster-Gruppen.

Zur Messung von Zeitfunktionen wird zusätzlich das Ausgangs-Datenwort der Steuerung in die Adresse einbezogen. Über den D-A-Wandler wird die Verzögerung der ersten Abtaster-Gruppe von diesem Datenwort gesteuert. Man erhält in diesem Falle im Speicher viele verschiedene Zeitfunktionen, die jeweils einer bestimmten Kombination von Ausgangsdaten der Abtaster-Gruppen zugeordnet sind.

Vereinfachungen ergeben sich, falls eines oder mehrere der zur Klassifikation der Abtastwerte dienenden Signale bereits in digitaler Form vorliegt. In diesem Falle können der Abtaster und der A-D-Wandler des entsprechenden Kanals entfallen. Eine Signal-Mittelwertbildung ist möglich, wenn im Speicher auf den einzelnen Speicherplätzen die Daten der ersten Abtaster-Gruppe nicht nur gespeichert, sondern addiert werden und gleichzeitig vermerkt wird, wie oft die einzelnen Speicherplätze angesprochen wurden. Da alle auf einem bestimmten Speicherplatz addierten Osten zu jeweils der gleichen Kombination der Datenworte der weiteren Abtastei-Gruppen gehören, ist eine Mittelwertbildung durch Division der Speicherwerte durch die entsprechenden Häufigkeiten möglich.

Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist mehrere Gruppen von Abtastschaltungen auf, denen jeweils eine Verzögerungseinheit zugeordnet ist. Den Abtastschaltungen sind Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet. Ein zugehöriger Mikrorechner besitzt Eingabeports für die Daten der Analog-Digital-Wandler sowie Ausgabeports, an die Digital-Analog-Wandler angeschlossen sind, deren Ausgangssignale den Verzögerungseinheiten zugeführt werden. Dabei werden die Verzögerungseinheiten von einem gemeinsamen Triggerimpuls getriggert, und die Verzögerungen der Verzögerungseinheiten sind vom Mikrorechner aus über die Digital-Analog-Wandler steuerbar. Die Ausgangsworte der D-AWandler jeder der Abtaster-Gruppen werden über die Eingabeports in den Rechner eingelesen und dort zu jeweils einem gemeinsamen Ausgangswort verknüpft. Das Ausgöngswort einer der Abtaster-Gruppen wird in Abhängigkeit von den Ausgangsworten der anderen Abtastergruppen in unterschiedliche Speicherbereiche einsortiert.

AusfOi'rungsbelsplel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2: Darstellung eines Anwendungsbeispiels, Fig.3: Anordnung mit integriertem Mikrorechner.

Ein Blockschaltbild für eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Hg.1 dargestellt.

Die Anordnung besteht aus den Abtaster-Gruppen ABT A1 ...ABT An mit den zugehörigen A-D-Wandlern ADC A1 ...ADC An, ABTB1... ABTBn mit den zugehörigen A-D-Wandlern ADCB1... ADC Bn sowie eventuell weiteren Abtaster-Gruppen C1 ...ABTCn bis ABT X1 ...ABT Xn mit den Wandlern ADC C1 ...ADC Cn bis ADC X1 ...ADC Xn. Jede der Abtaster-Gruppen wird von einer eigenen Verzögerungsschaltung getriggert. Die Abtaster einer Gruppe arbeiten deshalb synchron, aber die einzelnen Gruppen können zu verschiedenen Zeitpunkten abtasten. Jeder Abtaster-Gruppe ist eine Signalverarbeitungsstruktur zugeordnet, die aus den gewandelten Abtastwerten ein Ausgangs-Datenwort (Da, Db,..., Dx) erzeugt.

Das System enthält weiterhin eine Steuerung, die im einfachsten Falle aus einem Zähler besteht, der die Triggerimpulse zählt.

Die von der Abtaster-Gruppe A gelieferten Daten werden in einem Digitalspeicher abgelegt. Die Adresse der Speicher wird aus den Ausgangs-Datenworten Db...Dx der Abtaster-Gruppen B...X und aus dem Datenwort Ds der Steuerung zusammengesetzt.

Das Datenwort der Steuerung wird außerdem einem Digital-Analog-Wandler zugeführt, dessen Ausgangsspannung eine oder mehrere der Verzögerungsschaltungen steue η kann.

Zur Demonstration der vorgeschlagenen Lösung soll ein typisches Anwendungsbeispiel (Fig. 1) betrachtet werden. Es wird angenommen, daß ein nichtlineares System S untersucht werden soll. Dazu sehen am Eingang Impulsezur Verfügung, diezwar zur Untersuchung des Systems ausreichend kurz sind, deren Amplitude aber stochastisch veränderlich ist.

Gemessen werden soll

1. das Verhältnis des Integrals über den gesamten Ausgangsimpuls zum Integral über den Eingangsimpuls in Abhängigkeit vom Integral über den Eingangsimpuls,

2. die Impulsantwort des Systems, d. h. die Zeitfunktion am Ausgang des Systems in Abhängigkeit vom Integral des Eingangsimpulses.

Zur Untersuchung des Systems S ist die Meßanordnung mit zwei Abtaster-Gruppen notwendig. Die erste enthält die Abtaster A1 und A2, die zweite nur den Abtaster B1. Das Eingangssignal des untersuchten Systems wird den Abtastern A2 und B1, das Ausgangssignal dem Abtaster A1 zugeführt.

Die geforderten Abhängigkeiten werden wie folgt gemessen: Fürdie erste Aufgabe wird die Adresse des Meßwertspeichers nur aus dem Abtastwert B1 gebildet. Die zu speichernden Daten werden durch Division der Abtastwerte A1 und A2 erzeugt. Die Torbreiten aller Abtaster werden größer als die Impulsdauern der Signale gewählt, und die Abtastzeitpunkte werden fest eingestellt.

Mit einer solchen Anordnung wird das Verhältnis der Integrale am Ausgang und am Eingang des untersuchten Systems gemessen, und die erhaltenen Werte werden entsprechend dem Integral des Eingangssignales sortiert. Im Ergebnis der Messung entsteht im Speicher die gesuchte Abhängigkeit.

Zur Messung der Impulsantwort wird zur Bildjng der Speicheradresse zusätzlich das Datenwort Ds der Steuerung herangezogen. Das Datenwort Ds wird von der Steuerung entv\ eder ständig durchgezählt oder im Vergleich zur Triggerfrequenz sehr langsam verändert. Die Verzögerung Va wird vom AusgE ng des D-A-Wandlers gesteuert. Die Torbreite des Abtasters A1 wird so gewählt, daß das System-Ausgangssignal ausreichend aufgelöst werden kann. Als Datenwort Da wird nur das gewandelte Signal des Abtasters A1 verwendet.

Im Verlaufe der Messung entstehen jetzt im Speicher Zeitfunktionen, die sortiert sind nach der Größe des mit B1 gemessenen Integrals des Testimpulses.

Eine Verbesserung der Meßgenauigkeit ist möglich, indem die Datenworte Da im Speicher jeweils addiert werden und gleichzeitig mit vermerkt wird, wieviele Datenworte auf dem entsprechenden Speicherplatz addiert wurden. Nach Abschluß der Messung werden dann die Daten durch durch entsprechenden Häufigkeiten dividiert. Damit ist gleichzeitig die Möglichkeit gegeben, Speicherplätze zu erkennen, auf denen gar keine Daten eingeschrieben wurden. Diese fehlendr Werte können dann durch Interpolation ergänzt werden.

Wegen der zahlreichen im vorgeschlagenen Verfahren enthaltenen digitalen Verarbeitungsschritte ist es zweckmäßig, diese von einem im Meßsystem integrierten Mikrorechner ausführen zu lassen. Eine solche Anordnung ist in Fig.3 dargestellt. Die Signalverarbeitungsstrukturen der einzelnen Abtastergruppen, der Speicher und die Steuerung wurden in den Rechner verlegt, und die entsprechenden Funktion werden von einem (hier nicht beanspruchten) Programm übernommen. Zur Steuerung der Verzögerungen dienen die D-A-Wandler DACa...DACx.

Diese Anordnung hat gegenüber einer hardwaremäßigen Realisier jng des Verfahrens den Vorteil, daß die Signalverarbeitungsfunktionen und die Steuerung sehr variabel gestaltet werden können.

Claims (4)

1. Verfahren zur mehrdimensionalen Erfassung von Analogsignalen durch Signalabtastung, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Gruppen von Eingangssignalen mit jeweils getrennt wählbarer Verzögerung nach einem vor den Signalen eintreffenden Triggerimpuls abgetastet werden, die erhaltenen Abtastwerte in digitale Größen gewandelt und aus den gewandelten Abtastwerten für jede Signalgruppe ein digitales Ausgangs-Datenwort gebildet wird, wobei die Meßergebnisse in einem Digitalspeicher abgespeichert werden, der als Daten das Ausgangs-Datenwort einer der Signal-Gruppen erhält und dessen Adresse aus den Datenworten der anderen Signal-Gruppen und einem weiteren Adressenteil zusammengesetzt wird, der von einer digitalen Steuerung geliefert wird und der gleichzeitig eine oder mehrere der Verzögerungen für die Signalabtastungen steuern kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Datenworte im Speicher zur Verbesserung der Genauigkeit addiert werden und gleichzeitig vermerkt wird, wie viele Datenworte auf der jeweiligen Adresse addiert wurden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Messung von Zeitfunktionen die Steuerung ihren Adressenteil durch Zählen der Triggerimpulse verändert und mit diesem Adressenteil gleichzeitig die Verzögerung für die Abtastung einer oder mehrerer Signal-Gruppen gesteuert wird.

4. Anordnung zur mehrdimensionalen Erfassung von Analogsignalen durch Signalabtastung, gekennzeichnet durch mehrere Gruppen von Abtastschaltungen, denen jeweils eine Verzögerungseinheit zugeordnet ist, den Abtasteinheiten nachgeschaltete Analog-Digital-Wandler und einen Mikrorechner mit Eingabeports für die Daten der Analog-Digital-Wandler und Ausgabeports, an die Digital-Analog-Wandler angeschlossen sind, deren Ausgangssignale den Verzögerungseinheiten zugeführt werdt i, wobei die Verzögerun^seinheiten von einem gemeinsamen Triggerimpuls getriggert werden, die Verzögerungen der Verzögerungseinheiten vom Mikrorechner aus über die Digital-Analog-Wandler steuerbar sind, die Ausgangsworte der D-A-Wandler jeder der Abtaster-Gruppen überdie Eingabeports in den Rechnereingelesen und dort zu jeweils einem gemeinsamen Ausgangswort verknüpft werden und das Ausgangswort einer der Abtaster-Gruppen in Abhängigkeit von denen der anderen Abtaster-Gruppen in unterschiedliche Speicherbereiche einsortiert wird.