DE3611683A1 - Digitales messverfahren zur anzeige von messwerten auf einem display - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales Meßverfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Zur Anzeige langsam veränderlicher Meßwerte verwendet man traditionell Analog-Meßwerke. Diese erlauben ohne langes Hinsehen eine grobe Abschätzung des Meßwertes und die Erfassung seiner Änderungstendenz. Für Messungen höherer Genauigkeit verwendet man digitale Meßverfahren, bei denen der Meßwert im allgemeinen in Ziffern ange­ zeigt wird. In neuerer Zeit werden digitale Meßverfahren auch zur Simulation von Analog-Anzeigen eingesetzt. Bei diesen quasi Analog-Anzeigen wird zur Nachbildung einer bestimmten Zeigerstellung aus einer Vielzahl entlang einer Meßskala angeordneter Zeigersegmente das Zeiger­ segment angesteuert, dessen Lage dem anzuzeigenden Meßwert entspricht.

Aus der DE-OS 34 08 026 ist ein digitales Meßgerät bekannt, bei dem eine nummerische Anzeige mit einer quasi analogen Anzeige kombiniert ist. Ein besonderer Vorteil dieses Meßgerätes ist, daß aus einem vorgege­ benen Gesamtmeßbereich ein stark gespreizter Meßbe­ reichsausschnitt gewählt werden kann. Dadurch ist eine sehr hohe Auflösung erzielbar, die einer konventionellen "Meßskala" von mehreren Metern entspricht. Insofern ist die quasi Analog-Anzeige einer echten Analog-Anzeige sogar überlegen.

Problematischer ist die Nachbildung die Dynamik eines echten Analog-Meßwerkes durch eine quasi analoge Anzeige in Verbindung mit einer ausreichend schnellen A/D-Wand­ lung und Bedämpfung des Analog-Signals. Die Wahrneh­ mungsfähigkeit des menschlichen Auges für schnell aufeinanderfolgende Vorgänge liegt bei ca. 17 Bildern/Sekunde. Damit das Springen des Zeigers von einem Zeigersegment zum anderen dem Auge quasi kontinu­ ierlich erscheint, muß die Abtastfrequenz, mit der das darzustellende Meßsignal einem A/D-Wandler zugeführt wird mindestens 17 Hz betragen.

Andererseits bedämpft ein Analog-Meßwert niederfrequente Meßvorgänge, die 10 Hz überschreiten, bereits mit ca. 10 bis 20 dB. Bei einer Abtastfrequenz von ca. 17 Hz ist es aber auch nicht sehr sinnvoll, wenn Vorgänge dargestellt werden, deren Eigenfrequenz der Abtastfrequenz entsprechen oder sogar höherfrequent als diese sind. Es ist deshalb zweckmäßig, ein Analogfilter mit einer entsprechend hohen Dämfpung am Eingang des Meßgerätes vorzusehen.

Üblicherweise wird das Meßsignal mit einer konstanten Abtastfrequenz, vorzugsweise 20 Hz, vom A/D-Wandler umgesetzt. Entspricht nun die Frequenz des Meßsignals weitgehend der Abtastfrequenz, liegen also beide bei etwa 20 Hz, so kann sich bei exaktem Frequenzgleichlauf ein scheinbar stehender Anzeigewert ergeben. Unterscheiden sich die Meßfrequenz und die Abtastfre­ quenz jedoch nur geringfügig, so entsteht eine Schwe­ bungsfrequenz, die einen langsam pendelnden Anzeigewert verursacht. Diese als Aliasing-Effekt bezeichnete Anzeige ist nicht nur irritierend, sondern kann auch zu Fehlmessungen führen. Bei der hohen Auflösung, die durch eine Spreizung des Meßbereichs erzielt wird, genügen auch starke Filter nicht, um diesen unerwünschten Effekt durch Unterdrückung von Meßfrequenzen um 20 Hz zu vermeiden. Doch nicht nur bei der Analog-Anzeige, wo es besonders leicht zu einer Fehlinterpretation kommt, sondern auch bei der Ziffernanzeige kann es zu Fehlmessungen kommen.

Aufgabe er Erfindung ist es, ein Meßverfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, das Fehlmessungen durch den Aliasing-Effekt verhindert.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Die Erfindung geht davon aus, daß bei einer üblichen Analog-Digital-Umformung eine Abtastperiode aus einer Abtastzeitspanne und einer ihr folgenden Sperrzeitspanne besteht und beide Zeitspannen sich in einem vorgegebenen Takt abwechseln. Das Meßsignal wird während der Abtast­ zeitspannen, die sich in ihrer Dauer nicht ändern, einem A/D-Wandler zugeführt. Wird, wie bei bekannten Meßver­ fahren üblich, auch die Dauer der Sperrzeitspanne konstant gehalten, so kann sich zwischen der Meßfrequenz und der Abtastfrequenz ein Gleichlauf ergeben. Ein Gleichlauf aber ist die Voraussetzung für das Entstehen des Aliasing-Effektes. Bei dem erfindungsgemäßen Meßver­ fahren ist deshalb eine Variation der Sperrzeitspannen vorgesehen. Diese Variation muß so erfolgen, daß ein Gleichlauf zwischen der Abtastfrequenz und der Meßsi­ gnalfrequenz vermieden wird. Hierdurch kann es nicht mehr zu stehenden Anzeigen kommen, die einen falschen Meßwert anzeigen ohne daß der Betrachter das erkennen kann. Vielmehr wird der Meßwert entsprechend der Phasen­ lage der Abtastzeitspanne zum Sinus des Meßsignals deutlich schwanken.

Die Schwankung der Meßanzeige wird besonders deutlich, wenn die Phasenlage der Abtastzeitspannen zum Meßsignal so festegelegt ist, daß bei einer Meßsignalfrequenz, die der mittleren Abtastfrequenz gleich ist oder nahe kommt, der sich aus dem Wechselanteil des Meßsignals ergebende Mittelwert von positiven zu negativen Werten wechselt. Dadurch wird mit Hilfe einer relativ kleinen Variation der Abtastfrequenz eine relativ große Schwankung der Meßanzeige um einen Anzeigegrundwert erreicht.

Da die Modulation der Abtastfrequenz in einer gezielten Auswahl erfolgen muß, kann man sie nicht einem Zufalls­ generator überlassen. Es ist somit zweckmäßig aus mehreren, vorzugsweise 18 Abtastperioden unterschied­ licher Dauer einen Frequenzvariationszyklus zu bilden, der sich in gleicher Folge wiederholt.

Eine weitere zweckmäßige Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß der Mittelwert aus der Summe aller Abtast­ perioden eines Frequenzvariationszyklus dem Kehrwert der mittleren Abtastfrequenz entspricht.

Zur Darstellung des Meßwertes mit Hilfe einer quasi Analog-Anzeige wird in jeder Abtastperiode ein integrierter Mittelwert des Meßsignals erfaßt und auch zur Anzeige gebracht. Für die Digitalanzeige ist die zur quasi Analog-Anzeige benötigte Abtastfrequenz zu hoch. Somit ist es zweckmäßig einen Mittelwert des Meßsignals über mehrere Abtastperioden vorzugsweise über acht, zu bilden und zur Anzeige zu bringen.

Wegen der quasi Analog-Anzeige ist es zweckmäßig mit einer mittleren Abtastfrequenz von 20 Hz, entsprechend einer mittleren Abtastperiode von 50 Millisekunden zu arbeiten. Eine deutlich sichtbare Schwankung der Meßan­ zeige wird erreicht, wenn die maximale Frequenzänderung der modulierten Abtastfrequenz +/- 2,22 Hz, entsprechend +/- 5 Millisekunden beträgt.

Die Variation der Abtastfrequenz läßt sich mit relativ geringem Aufwand realisieren, wenn ein Frequenzvari­ ationszyklus aus nur 5 verschieden langen Abtastperioden gebildet wird. Bei einer maximalen Änderung der Abtastperiode von +/- 5 Millisekunden unterscheiden sich die Abtastperioden in Stufen von jeweils 2,5 Millisekunden.

Bei der quasi Analog-Anzeige wird in jeder Abtastperiode ein Meßwert zur Anzeige gebracht. Damit keine Aliasing-Anzeigen erfolgen, muß ein Gleichlauf zwischen der Meßfrequenz und der Abtastfrequenz vermieden werden. Demgegenüber bilden bei der Ziffernanzeige mehrere Abtastperioden einen Meßzyklus, in dem jeweils der Mittelwert der in den Abtastperioden erfaßten Signalan­ teile zur Anzeige gebracht wird. Demzufolge muß hier ein Gleichlauf zwischen der Meßfrequenz und dem Meßzyklus vermieden werden. Soweit es nicht gelingt Störeffekte durch die Mittelwertbildung ganz zu beseitigen, gilt es, diese der Anzeige in einer Form zuzuführen, die deutlich erkennen läßt, daß es sich um Störeffekte und nicht um reguläre Meßwerte handelt. Ein Gleichlauf zwischen dem Meßzyklus und der Meßfrequenz wird bereits weitgehend dadurch vermieden, daß die Zahl der Abtastperioden pro Frequenvariationszyklus nicht ganzzahlig durch die Zahl der Abtastperioden pro Meßzyklus teilbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Zeichnungsbeispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Einen Frequenzvariationszyklus mit 18 Abtast­ perioden bei einer Meßfrequenz von 20 Hz.

Fig. 2: Eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung bei einer Meßfrequenz von 22,22 Hz.

Fig. 3: Eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung bei einer Meßfrequenz von 17,77 Hz.

Fig. 4: Eine Schaltung zur Erzeugung von Frequenzvari­ ationszyklen mit 18 Abtastperioden.

Wie man in Fig. 1 erkennt, soll ein Meßsignal mit der Meßfrequenz f _M=20 Hz gemessen werden. Bei dem Wechsel­ spannungssignal kann es sich um eine Restwelligkeit handeln, die einem Gleichspannungssignal überlagert ist, es kann aber auch ein reines Wechselspannungssignal vorliegen, das ohne Gleichrichtung gemessen werden soll. Zur A/D-Wandlung muß das Meßsignal abgetastet werden, d.h. während einer Abtastzeitspanne A wird dem A/D-Wandler ein Ausschnitt aus dem Meßsignal zugeführt und dieser bildet hiervon einen Mittelwert. Zwischen zwei Abtastzeitspannen A liegt jeweils eine Sperrzeit­ spanne S, die mit einer Abtastzeitspanne eine Abtast­ periode Z bildet.

Würde zur Abtastung eines 20 Hz-Meßsignals mit einer konstanten Abtastfrequenz f _A von ebenfalls 20 Hz gemessen, so ergäbe sich eine konstante Phasenlage der Abtastzeitspanne zum Sinus des Meßsignals. Bei der Mittelwertbildung des abgetasteten Meßsignals würde sich somit ein positiver oder negativer Meßwert ergeben, obwohl in Wirklichkeit der arithmetische Mittelwert eines Wechselspannungssignals 0 ist. Dieser als Aliasing-Effekt bezeichnete Fehler wird nach Fig. 1 dadurch vermieden, daß die Dauer der Abtastperiode Z laufend wechselt. Da die Abtastzeitspanne A immer gleich bleiben muß, ändert sich mit der Abtastperiode Z die Sperrzeitspanne S. Hierdurch verschiebt sich von einer Abtastperiode zur nächsten die Phasenlage der Abtast­ zeitspanne A zum Meßsignal. Der pro Abtastzeitspanne gemessene Mittelwert ändert sich damit laufend. Wie man in Fig. 1 erkennt, wird der Mittelwert während der ersten drei Abtastperioden einen positiven Wert an­ nehmen, bis zur 7. Abtastperiode nahezu Null sein, von der 8. bis zur 14. Abtastperiode negativ werden und während der Perioden 15 bis 17 wiederum durch Null gehen. Ab der 18. Abtastperiode werden wieder positive Mittelwerte angezeigt. Bei der quasi Analog-Anzeige führt das zu einem schnellen, irregulären Schwanken des Meßzeigers, wodurch der Betrachter erkennt, daß das Meßsignal keine reine Gleichspannung sein kann.

Im vorliegenden Beispiel erfolgt eine Modulation der Abtastfrequenz von 18,2 Hz bis 22,2 Hz, die Grund­ frequenz liegt bei 20 Hz. Dementsprechend ergeben sich Abtastperioden von 45 Millisekunden bis 55 Millisekun­ den. Insgesamt wurden fünf verschiedene Abtastperioden festgelegt, so daß es auch noch solche mit 47,5 Milli­ sekunden, 50 Millisekunden und 52,5 Millisekunden gibt. Die Aneinanderreihung der unterschiedlichen Abtastperioden erfolgt in der bereits beschriebenen Weise so, daß ein deutlicher Wechsel von positiven zu negativen Mittelwerten entsteht. Jeweils acht Abtastperioden bilden einen Frequenzvariationszyklus F, nach dem sich eine Aneinanderreihung von Abtastperioden unterschiedlicher Länge in gleicher Folge wiederholt.

In Fig. 2 werden die unterschiedlichen Phasenlagen der Abtastzeitspannen zu einem Meßsignal mit 22,22 Hz und in Fig. 3 zu einem Meßsignal mit 17,77 Hz dargestellt. Beide Frequenzen liegen noch in dem kritischen Bereich um 20 Hz, doch wird auch hier ein Gleichlauf zwischen Meßfrequenz und Abtastfrequenz vermieden.

Die mittlere Abtastfrequenz innerhalb eines Frequenz­ variationszyklus von 18 Abtastperioden beträgt nach den Fig. 1 bis 3 jeweils 20 Hz. Ein so schneller Wechsel ist bei der Ziffernanzeige nicht erwünscht. Für diese wird deshalb ein Meßzyklus gebildet, der acht Abtastperioden umfaßt von denen dann der Mittelwert zur Anzeige gebracht wird. Die Folge der unterschiedlich langen Abtastperioden ist so gewählt, daß auch zwischen dem Meßzyklus und der Meßfrequenz kein Gleichlauf entstehen kann. Hierzu trägt auch bei, daß die Zahl der Abtastperioden pro Frequenzvariationszyklus durch die Zahl der Abtastperioden pro Meßzyklus nicht ganzzahlig teilbar ist, so daß in zwei aufeinanderfolgende Meß­ zyklen unterschiedlich lange Abtastperioden fallen. Wird der Frequenzvariationszyklus viermal durchlaufen, so entspricht das 72 Abtastperioden oder neun Meßzyklen. Bildet man für die neun aufeinanderfolgenden Meßzyklen jeweils die Summe der von ihnen erfaßten acht Abtast­ perioden, so ergeben sich die nachstehenden neun Zeitwerte. Wie man sieht sind alle neun Meßzyklen unterschiedlich lang.

0,38 s - 0,4125 s - 0,395 s - 0,4025 s - 0,4 s - 0,3925 s - 0,415 s- 0,3825 s - 0,42 s.

Wie man aus Fig. 4 ersieht läßt sich die Frequenzmodu­ lation der Abtastfrequenz relativ einfach realisieren. Ein Zähler Z 1 legt die Dauer der Abtastzeitspanne auf 20 Millisekunden fest, während ein Zähler Z 2 eine minimale Sperrzeitspanne von 25 Millisekunden bestimmt. Somit ergibt sich eine minimale Abtastperiode von 45 Millise­ kunden. Der Zähler Z 3 kann auf die Zeiten 2,5 Millise­ kunden - 7,5 Milliseknunden - 10 Millisekunden umge­ schaltet werden. Die Sperrzeitspanne kann um jede dieser drei Zeiten verlängert werden oder unverändert bleiben. Die Reihenfolge, in der eine Verlängerung der Sperrzeit­ spanne erfolgen muß, damit ein Frequenzvariationszyklus entsteht, wie er in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, bestimmt ein Ringzähler Z 4. Während der Abtastzeit­ spannen, die nunmehr in unterschiedlichem Abstand aufeinanderfolgen, gibt ein Flip-Flop ein Signal A ab.

Claims (12)

1. Digitales Meßverfahren zur Anzeige von Meßwerten auf einem Display nach einer Analog/Digital-Umformung, bei der eine Abtastperiode aus einer Abtastzeitspanne und einer ihr folgenden Sperrzeitspanne besteht und die beiden Zeitspannen sich in einem vorgegebenen Takt abwechseln und ein Meßsignal während der Abtastzeit­ spannen, die sich in ihrer Dauer nicht ändern, einem A/D-Wandler zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrzeitspannen variiert werden und eine frequenz­ modulierte Abtastfrequenz entsteht und die Variation der Sperrzeitspannen so erfolgt, daß ein Gleichlauf zwischen der Abtastfrequenz und der Meßsignalfrequenz vermieden wird.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die Sperrzeitspannen die Phasenlage der Abtastzeitspannen zum Meßsignal so festgelegt sind, daß bei einer Meßsignalfrequenz, die der mittleren Abtastfrequenz gleich ist oder nahe kommt, der sich aus dem Wechselanteil des Meßsignals ergebende Mittelwert positive und negative Werte umfaßt.

3. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, vorzugs­ weise 18, Abtastperioden unterschiedlicher Dauer einen Frequenzvariationszyklus bilden, der sich in gleicher Folge der Abtastperioden wiederholt.

4. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert aus der Summe aller Abtastperioden eines Frequenz­ variationszyklus dem Kehrwert der mittleren Abtastfre­ quenz entspricht.

5. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Abtast­ periode ein integrierter Mittelwert des Meßsignals erfaßt und auch zur Anzeige gebracht wird.

6. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittelwert des Meßsignals über mehrere Abtastperioden, vorzugsweise über acht gebildet und zur Anzeige gebracht wird.

7. Meßverfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein in jeder Abtastperiode erfaßter Meßwert einem quasi analogen Zeiger-Display und ein über mehrere Abtastperioden erfaßter Meßwert einem Ziffern-Display zugeführt ist.

8. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer mittleren Abtastfrequenz von 20 Hz, entsprechend einer mittleren Abtastperiode von 50 Millisekunden gearbeitet wird und die maximale Frequenzänderung der modulierten Abtastfrequenz +/- 2,22 Hz, entsprechend +/- 5 Milli­ sekunden beträgt.

9. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Frequenzvariationszyklus fünf verschieden lange Abtast­ perioden enthalten sind, die sich jeweils in Stufen von 2,5 Millisekunden unterscheiden.

10. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge unter­ schiedlich langer Abtastperioden innerhalb eines Frequenzvariationszyklus so gewählt ist, daß sie eine Folge unterschiedlich langer Meßzyklen ergibt, wobei jeder Meßzyklus aus mehreren, aber vorzugsweise gleich vielen, Abtastperioden besteht, und die Meßfrequenzen, die der mittleren Abtastfrequenz gleich sind oder ihr nahekommen, nicht oder nur selten synchron zum Meßzyklus verlaufen.

11. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge unterschiedlich langer Abtastperioden innerhalb eines Frequenzvaria­ tionszyklus so gewäht ist, daß die Summe der Mittel­ werte, die in einem Meßzyklus vom Wechselanteil eines Meßsignals, dessen Frequenz der mittleren Abtastfrequenz gleich ist oder nahekommt, gebildet werden, in einer Folge mehrere Meßzyklen unterschiedlich groß oder Null sind.

12. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Abtastperioden pro Frequenzvariationszyklus nicht geradzahlig durch die Zahl der Abtastperioden pro Meßzyklus teilbar ist.