专利名称：将模拟电信号数字化的方法和装置以及数字化的方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1和9的前序部分所述的、用于将模拟电信号数字化的
一种方法和一种装置。
背景技术：
用于使尤其是模拟电压数字化的装置(和所配属的方法)一般已知为AD(模 拟-数字)转换器。如果应在很大的、例如22Bit或者更多Bit的动态范围上进行数字化， 则存在有问题。因此对于断路器来说必需检测在从20A至800000A范围中的交流电。在精 确度为时对于20A的信号需要分辨率为200mA，相反对于2000A的信号分辨率为20A。 总体上在此示例中得出的动态范围为800000/0. 2 = 4000000，对应于132DB或者22Bit。当 所需的扫描速率为SKHz时，具有“真正”22Bit精度的AD转换器在技术上还不可能实现，并 且如果这是可提供的，则目前是非常昂贵的。已知有其它的可编程放大器PGA(Programmable Game Amplifier)，它们取决于 各自的信号振幅或多或少地将所要数字化的信号明显地放大，从而分别最佳地控制以下的 AD-变换器，以达到足够的精度。在此不利的是，可编程放大器必须具有很高的精度，这相对 是昂贵的。如果使用多个放大级，那么因此又必须非常准确地对其进行校正。在一定情况下 必须分别快速地对单独的放大级进行转换，以便避免AD转换器暂时的过调制或调制不足。已知也有对数放大器，当然必须首先以复杂费事的模拟技术对其进行操作。在一 种下游的数字部分中的逆运算很费事，并且难以进行必要的温度补偿。
发明内容
本发明的目的在于提出一种装置及附属的方法以用于将具有很大动态范围的信
号数字化。该目的在方法方面通过权利要求1所述的特征来实现和在装置方面通过权利要 求9所述的特征来实现；从属权利要求给出有利的设计方案。在方法方面，该方案提出将信号输送至多个并联的子通道上，这些子通道在输 出方面输出信号的数字值；子通道的振幅范围分别小于总振幅范围；以振幅方式直接邻 接的子通道的振幅范围分别重叠地相互推移；重叠的振幅范围包括给定的总振幅范围； 一个子通道用作为基准通道；如果信号位于两个子通道的重叠范围中并且数字值相互不 同，则由基准通道出发，对以振幅方式直接邻接的子通道的输出的数字值进行校正；和根 据输出的数字值，考虑到振幅范围的相互的位移将总数字值输出。本发明的思想简略来 说也就在于，将多个重叠的子通道并联，通过校正对应的数字值阻止子通道彼此分离漂移 (Auseinandertriften)，而且使子通道的数字值接着又智能地合并。智能的含义是仅仅应 用了由子通道提供的数字值中的合理的数字值。在合并时相应考虑到振幅范围的相互的位 移。对于校正来说总是应用两个直接邻接的子通道的数字值。除了相应地测定为唯一的那 个基准通道之外，子通道也就总是相互校正。
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在求取总数字值时提出对位移的简化考虑，即子通道的振幅范围在总振幅范围中 形成分级。为了能够简单地调整在数字化时的控制，提出了，子通道在输入侧分别具有模拟 的信号放大部分。为了实现技术上简单的实施，对于子通道的信号放大部分来说分别选择二的幂。在一种简单的实施方式中，用于数字化的子通道分别具有相同的AD转换器。如果子通道的分级的振幅范围的相互的位移分别具有相同Bit数，则简化了分析 评估。如果简单地通过对应于位移的Bit数考虑将子通道的分级的振幅范围的相互的 位移用于求出总数字值，则需要较少的计算方面的投入。如果通过与分别配属于子通道的乘法器的乘法来考虑位移，那么可以简单地校正 信号放大部分。在装置方面，该方案提出将多个子通道并联，并且子通道分别输出模拟信号的数 字值，其中子通道的振幅范围分别小于装置的总振幅范围，其中以振幅方式直接邻接的子 通道的振幅范围这样地相互推移，即振幅范围重叠，其中重叠的振幅范围包括给定的总振 幅范围，并且其中一个子通道用作为基准通道。此外还设置了一个校正器，如果信号位于两 个子通道的重叠范围中并且数字值相互不同，则该校正器分别由基准通道出发对以振幅方 式直接邻接的子通道的输出的数字值进行校正。此外该装置具有一个接收器(Uebemahme)， 其根据子通道的输出的数字值，考虑到振幅范围的相互的位移而形成总数字值。
以下按照实施例对本发明进行详细说明。图中示出图1是具有三个并联的子通道的、用于将模拟电信号数字化的装置的框图；图2是根据图1所示装置的、在总振幅范围D方面的子通道的振幅范围的情况；图3是具有根据AD转换器对模拟的信号放大部分进行补偿的装置的框图；图4是由共同的数字式信号处理器对子通道的数字值的接收。
具体实施例方式图1示出了用于将模拟电信号Sa数字化的装置的框图。该装置具有多个(这里 是三个)并联的子通道SK1，SK2，SK3，同时信号Sa施加在其上面。接着在将信号输送给AD 转换器ADC1，ADC2，ADC3的输入端之前，使信号Sa在每个子通道SKl，SK2，SK3中放大(信 号放大部分Al，A2，A3)。AD转换器ADC1，ADC2，ADC3的输出值接着进入一个共同的数字式 信号处理器DSV，它对数值进行接收(接收器UE)和由此形成并输出总数字值Sd。AD转换器ADC1，ADC2，ADC3在这里在实施例中分别是相同的(但也可以在每个子 通道SKl，SK2，SK3中使用不同的AD转换器)。信号Sa的振幅位于总振幅范围(总的动态范围)D之内，D为24Bit。在AD转换 器ADC的分辨率为16Bit时，装置所要求的精度为12Bit。这样地调节信号放大部分Al， A2，A3和选择AD转换器ADC1，ADC2，ADC3，即完全充分利用24Bit的振幅范围的信号Sa完 全控制了 AD转换器ADCl。(信号放大部分Al例如可以为1或者将信号放大部分Al在这种情况下去掉)。子通道SK2的信号放大部分A2比信号放大部分Al大了系数24。相应地 在信号Sa很大时完全地控制AD转换器ADC2，而AD转换器ADCl还指示出该信号Sa。如果 信号Sa如此地小，以至于由AD转换器ADCl使用了小于12Bit的Bit数，因此AD转换器 ADC2(子通道SK2)起作用。其输入信号是放大了系数24的信号Sa，这相当于在AD转换器 ADCl和ADC2之间的4Bit的偏移。如果信号Sa如此地小，以至于AD转换器ADC2也利用了 小于12Bit的Bit数，那么AD转换器ADC3 (子通道SK3)就起作用。其信号放大部分A3达 28，这相应于在AD转换器ADC2和ADC3之间的偏移为4Bit (和相应地在AD转换器ADCl和 ADC3 之间为 8Bit)。图2简略表示了振幅范围AB1，AB2，AB3相对于装置的总振幅范围D的情况。振幅 范围AB1，AB2, AB3的Bit数在图2中表示为小框B。每个振幅范围AB1，AB2, AB3对应于 上面所述的具有正好16个小框B。每个振幅范围ABl，AB2, AB3小于总振幅范围D，而振幅 范围AB1，AB2，AB3相互重叠，其中每个振幅范围AB1，AB2，AB3相比于直接邻接的振幅范围 AB2或AB3分别推移4Bit。子通道SKI, SK2，SK3的振幅范围ABl, AB2, AB3也就在总振幅 范围D之内形成分级，其位移V(降级)分别为4Bit。按此方式利用三个AD转换器ADC1， ADC2，ADC3确保了装置的精度(系统精度)为12Bit。信号处理器DSV对此决定了在这三个AD转换器ADC1，ADC2，ADC3中哪个所输出的 数字值(字符)被接收，以便考虑到各自的位移V以24Bit的规格将其输出。在图3中的示意图示出了 一种同样也具有三个子通道SK1，SK2，SK3的修改了的装 置。如在图1中那样，将信号Sa输送至三个并联的子通道SK1，SK2，SK3上，通道的输出值 又被输送至一个共同的数字式信号处理器DSV，用于将三个子通道SKl，SK2，SK3的数字值 合并在一起。在图3所示的装置中然而使得模拟信号放大部分Al，A2，A3在AD转换器ADC1， ADC2，ADC3之后、在信号处理器DSV中合并之前再次返回，从而在每个子通道SK1，SK2，SK3 的出口处又存在数字值，但其中这里的数字值具有相同的权重。因为模拟的信号放大部分 Al，A2，A3又是2的幂(24或28)，因此它们可以在AD转换器ADCl，ADC2，ADC3之后通过分 别为4Bit的Bit位移BSl, BS2来补偿。在实践中，模拟的信号放大部分Al，A2，A3与2的幂总是大概不同。出于这个原 因，在Bit位移BSl或BS2之后设有数字乘法器机^2^3，它们通过参数“调节”4(11，八(12， Ad3(校正系数)来调整或校正每个子通道SK1，SK2，SK3的放大。一个子通道，这里是最灵 敏的子通道SK3，当然通过(预先)调整(例如出厂调整)来得到其校正值KD。因此子通 道SK3形成了用于另外两个子通道SKl和SK2的基准通道。装置根据图3也就具有从基准 通道、在这里是从子通道SK3出发的校正器。这里参数Ad3只校正信号放大部分A3。如图3进一步示出，AD转换器ADCl，ADC2，ADC3输出相同的值-在其各自的分辨 率的范畴中(分辨率精度，测量精度)_，如果信号Sa位于振幅范围ABl和AB2或AB2和AB3 中的话，在这些范围中振幅范围相互重叠。因此由两个子通道SK2和SK3在其分辨率的范 畴中输出信号值Sal (见图2)，并通过比较器Calc2使两个数字值相互比较。如果子通道 SK2的结果和子通道SK3的结果不同，那么比较器Calc2就相应调整参数Ad2 ；以这种方式 对子通道SK2进行补充调整。对于相应较大的信号Sa来说类似地通过Calcl对子通道SKl 进行补充调节。在分辨率的范畴中对子通道SK1，SK2的校正阻止了三个子通道SK1，SK2，
6SK3彼此分离漂移，由此由基准子通道SK3出发，分别连续地通过以振幅方式直接邻接的子 通道SKl和SK2来进行。图4示意性地示出了由数字式信号处理器DSA对子通道SK1，SK2，SK3的数字值 的接收，其中利用分开的符号位VB (所谓符号的规格)表示数字值的数值。每个AD转换器 ADC1，ADC2，ADC3具有16Bit的分辨率，这分别通过图4中16个小框B来表示。箭头F表示 了校正方向，而纵向框AmM示意性地示出了借助于乘法器Ml，M2，M3的调整(调整范围)。 箭头应该简略表示了借助于数字式信号处理器DSV(UEmDSV)的接收器UE。各个数字值接收 器UE (合并)成为唯一的总数字值A(24Bit)，这可以按照图4更容易地理解，考虑到了振幅 范围AB1，AB2，AB3的相互的4Bit的位移V，在图中上下重叠地表示了数字值。在理想情况下数字值甚至可以简单地从上向下，由数字式信号处理器DSV接收并 在需要时输出。当然数字式信号处理器DSV必须对此决定(识别出)，是否一个AD转换器ADCl或 ADC2或者ADC3过调制，而且在这两个有效数字值中哪一个根据不同的精度应该被接收。如果先假定一个较小的信号，其中AD转换器ADC3没有过调制，因此可以由数字式 信号处理器DSV来接收所有的下面在总数字值A里的Bit。同时可以用每个数字值计算出 AD转换器ADCl和A⑶2与AD转换器ADC3的“额定值”的偏差(例如通过商的形成)。因 此参数Adl和Ad2可提供用于乘法器Ml和M2。参数Adl和Ad2的变化强制使子通道SKl 和SK2同样也指示出该数字值。如果AD转换器AD3过调制，那么总是保持最后的校正值 ADl和AD2，而子通道SK2暂时就是用于子通道SKl的“基准”。AD转换器ADC3的数字值在 这种情况下完全被忽视，并且取而代之使AD转换器ADC2的数字值接收在结果中提供给总 数字值A。仅仅AD转换器ADC3可能提供的在数字值中的最低位的Bits处于装置要求的精 度之下并且可以选择地设为0 (或者也可替代地设为1)。子通道SKl在这种情况下根据AD 转换器ADC2的数字值进行校正(跟踪)。如果信号Sa还是较大的，从而使AD转换器ADC2 过调制，那么将整个来自子通道SKl的数字值接收在结果中。如果信号Sa又是较小的，这可通过较高的位(图4中左上的Bits)的归零容易地 探测到，然后又由数字式信号处理器DSV首先使更灵敏的子通道SK2或SK3接通。不再通 过乘法器M1，M2，M3进行校正；保留最后有效的校正值。当信号Sa为直流电压形式等等时，由于漂移必须在退回到更灵敏的子通道SK2和 SK3时使相对更不灵敏的子通道SKl (和SK2)作为主机，用于更灵敏的子通道SK2和SK3的 倍增的调整。当它们较长时间激活时，这尤其是如此。如果信号Sa是交变信号(例如交流电压)，那么在50Hz时最迟在10毫秒之后(在 一个半波之后，-这通过图4中的符号位VB的变化来探测)，由相对更不灵敏的子通道SKl， SK2又被退回到(最灵敏的)基准通道(子通道SK3)上，从而使子通道SK1，SK2，SK3相互 之间持久地调整。各个子通道SK1，SK2，SK3的这种纯倍增的调整的前提条件是偏移-自由 度，但这可以在各自的乘法器Ml，M2，M3之前相对容易地用一种数字高通滤波器来实现。
权利要求
一种用于将模拟电信号(Sa)数字化的方法，所述信号的振幅位于给定的总振幅范围(D)中，其中将所述信号(Sa)输送至多个并联的子通道(SK1，SK2，SK3)上，所述子通道在输出侧输出所述信号(Sa)的数字值；其中所述子通道(SK1，SK2，SK3)的振幅范围(AB1，AB2，AB3)分别小于所述总振幅范围(D)；其中以振幅方式直接邻接的所述子通道(SK1，SK2，SK3)的所述振幅范围(AB1，AB2，AB3)分别重叠地相互偏移；其中重叠的所述振幅范围(AB1，AB2，AB3)包括给定的所述总振幅范围(D)；其中一个子通道(SK3)用作为基准通道；其中，如果所述信号(Sa)位于两个所述子通道(SK1，SK2或SK2，SK3)的重叠范围中并且所述数字值相互不同，则由所述基准通道出发，对以振幅方式直接邻接的所述子通道(SK1或SK2)的输出的所述数字值进行校正；和其中根据输出的数字值，考虑到所述振幅范围(AB1，AB2，AB3)的相互的位移(V)将总数字值输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个子通道(SK1，SK2，SK3)的所述 振幅范围(AB1，AB2，AB3)在所述总振幅范围(D)中形成分级。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述子通道(SK1，SK2，SK3)在输入 侧分别具有模拟的信号放大部分(Al，A2，A3)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子通道(SK1，SK2，SK3)的所述信号 放大部分(A1，A2，A3)分别是二的幂。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，用于数字化的所述子通道 (SKl，SK2, SK3)具有相同的 AD 转换器(ADC 1, ADC2, ADC3)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述子通道(SK1，SK2，SK3) 的分级的所述振幅范围的相互的所述位移(V)具有相同Bit数。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的方法，其特征在于，通过对应于所述位移(V)的 Bit数考虑将所述子通道(SK1，SK2，SK3)的分级的所述振幅范围(AB1，AB2，AB3)的相互的 所述位移(V)用于求出所述总数字值。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，通过与分别配属于所述子通 道(SKl，SK2，SK3)的乘法器(Adl，Ad2，Ad3)的乘法来考虑所述位移(V)。
9.一种用于将模拟电信号(Sa)数字化的装置，所述信号的振幅位于给定的总振幅范 围(D)中，所述装置具有多个并联的子通道(SK1，SK2，SK3)，所述子通道分别输出模拟的所述信号(Sa)的数字 值，所述子通道的振幅范围(AB1，AB2，AB3)分别小于所述装置的所述总振幅范围(D)，其中 以振幅方式直接邻接的所述子通道(SK1，SK2，SK3)的所述振幅范围(AB1，AB2, AB3)这样 地相互偏移，即所述振幅范围重叠，其中重叠的所述振幅范围(AB1，AB2, AB3)包括给定的 所述总振幅范围(D)，并且其中一个所述子通道(SK3)用作为基准通道；一个校正器，如果所述信号(Sa)位于两个所述子通道(SK1，SK2或SK2，SK3)的重叠范 围中并且所述数字值相互不同，则所述校正器分别由所述基准通道出发对以振幅方式直接邻接的所述子通道(SK1，SK2，SK3)的输出的所述数字值进行校正；和一个接收器(UE)，所述接收器根据所述子通道(SK1，SK2，SK3)的输出的所述数字值， 考虑到所述振幅范围(AB1，AB2，AB3)的相互的位移(V)而形成总数字值。
全文摘要
本发明涉及将模拟电信号(Sa)数字化的一种方法和一种装置，其中将信号(Sa)输送至多个并联的子通道(SK1，SK2，SK3)上，其中以振幅方式直接邻接的子通道(SK1，SK2，SK3)的振幅范围(AB1，AB2，AB3)分别重叠地相互推移，其中重叠的振幅范围(AB1，AB2，AB3)包括给定的总振幅范围(D)，其中子通道(SK3)用作为基准通道，其中，如果信号(Sa)位于两个子通道(SK1，SK2或SK2，SK3)的重叠范围中并且数字值相互不同，则由基准通道出发，对以振幅方式直接邻接的子通道(SK1或SK2)的输出的数字值进行校正，和其中根据输出的数字值，考虑到振幅范围(AB1，AB2，AB3)的相互的位移(V)，将总数字值输出。
文档编号H03M1/12GK101958714SQ20101023191
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者于尔根·海贝尔, 哈拉尔德·京特, 托马斯·德里霍恩 申请人:西门子公司