DE4233410C1 - Digital=to=analogue conversion method using microprocessor - inserting additional fine pulses of shorter duration between original coarse pulses in each pulse sequence period - Google Patents

Abstract

The digital/analogue conversion method involves representing the received digital values using the pulse ratio of a periodic pulse sequence within a given duration, within which the individual pulses are evenly distributed. Additional pulses are inserted between the latter pulses and have a shorter pulse duration defined by dividing the duration of the longer pulses by the max. number of additional pulses which can be inserted within each duration. Pref. the duration of the line pulses is a whole multiple of the cycle time of the microprocessor used in the digital/analogue conversion. ADVANTAGE - Simple provision of higher resolution accuracy.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Digital/Analog- Umsetzverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a digital / analog Implementation method according to the preamble of claim 1.

Ein derartiges Digital/Analog-Umsetzverfahren ist aus dem Aufsatz von M. Heiss und W. Dittrich "Pulsanzahlmodulator als D/A-Umsetzer", Z. "Elektronik", 15. 09. 1989 Seiten 96 bis 98, bekannt. Der beschriebene Digital/Analog-Umsetzer setzt den seinem Eingang zugeführten Digitalwert in eine Impulsfolge um, deren zeitlicher Mittelwert von einem Filter gebildet wird. Am Ausgang des Filters steht der Analogwert an. In dieser Veröffentlichung werden Pulsbreitenmodulatoren und Pulsanzahlmodulatoren gegenübergestellt. Obwohl Pulsbreitenmodulatoren in CMOS-Technik einfach herzustellen sind und eine ausgezeichnete Linearität aufweisen, steht der Fachmann bei Umsetzern mit einer Auflösung von mehr als 8 Bit und einer ausreichend kleinen Ausgangswelligkeit vor der Entscheidung zwischen einem langsamen Einschwingen der Ausgangsspannung oder der Verwendung einer hohen Taktfrequenz. Die Impulsfolgen setzen sich jeweils aus Einzelimpulsen gleicher Dauer zusammen, deren Anzahl pro Periode proportional dem Digitalwert ist. Wie die Gegenüberstellung der Impulsfolgen beim Pulsbreitenmodulator und beim Pulsanzahlmodulator zeigt, läßt sich durch Einsatz eines Pulsanzahlmodulators eine Verbesserung erreichen, da bei dem Pulsanzahlmodulator die Einzelimpulse möglichst gleichmäßig über die gesamte Periode verteilt sind. Damit sinkt der Aufwand für das zur Mittelwertbildung dienende Filter. Such a digital / analog conversion method is from the Article by M. Heiss and W. Dittrich "Pulse number modulator as D / A converter ", Z." Electronics ", September 15, 1989 pages 96 to 98, known. The described digital / analog converter sets the convert the digital value supplied to its input into a pulse train, whose time average is formed by a filter. At the The analog value is present at the output of the filter. In this Pulse width modulators and Pulse number modulators compared. Even though Pulse width modulators in CMOS technology easy to manufacture are and have excellent linearity, the Specialist for converters with a resolution of more than 8 bits and a sufficiently small output ripple before Deciding between a slow settling of the Output voltage or using a high clock frequency. The pulse sequences are each made up of individual pulses same duration together, their number per period proportional is the digital value. Like the comparison of the impulse sequences shows with the pulse width modulator and with the pulse number modulator, can be a by using a pulse number modulator Achieve improvement since the pulse number modulator Individual impulses as evenly as possible over the entire period are distributed. This reduces the effort for the Averaging filters.  

Um bei einem Pulsanzahlmodulator eine hohe Auflösung zu erreichen, bieten sich zunächst zwei Wege an:To achieve a high resolution with a pulse number modulator there are two ways to do this:

• 1. Bei gegebener Dauer der Einzelimpulse wird die Anzahl der Einzelimpulse pro Periode erhöht. Dieses Verfahren führt aber zu einer Verlängerung der Periodendauer, erfordert deswegen ein aufwendiges Filter zur Mittelwertbildung und verschlechtert damit die Dynamik.1. Given the duration of the individual pulses, the number of Single pulses per period increased. This procedure leads but to extend the period required therefore a complex filter for averaging and this worsens the dynamic.
• 2. Die Anzahl der maximal möglichen Einzelimpulse pro Periode wird durch Verkürzung der Dauer der Einzelimpulse erhöht. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß bei der Verwendung eines Mikroprozessors in dem Digital/Analog-Umsetzer bei einer hohen Auflösung die Rechenzeit des Mikroprozessors übermäßig beansprucht wird. Legt man z. B. eine Periodendauer von 64 ms und eine Auflösung von 8 Bit zu Grunde, so ist alle 250 µs eine Bearbeitung durch den Mikroprozessor erforderlich. Wenn für die Impulserzeugung 10 µs Rechenzeit verbraucht werden, ist eine Auslastung des Mikroprozessors von 4% gegeben. Wird bei gleicher Periodendauer jedoch eine Auflösung von 12 Bit gefordert, wird bereits alle 15,6 µs eine Bearbeitung durch den Mikroprozessor notwendig; allein durch die Impulserzeugung steigt die Auslastung des Mikroprozessors auf 64% an.2. The number of maximum possible individual pulses per period is increased by shortening the duration of the individual pulses. This method has the disadvantage that when used of a microprocessor in the digital / analog converter high resolution the computing time of the microprocessor is overused. If you put z. Legs Period duration of 64 ms and a resolution of 8 bits too Basically, every 250 µs is processed by the Microprocessor required. If for pulse generation 10 µs of computation time is used up Microprocessor of 4% given. Will be the same Period, however, a resolution of 12 bits is required, processing is carried out every 15.6 µs Microprocessor necessary; solely through the generation of impulses the microprocessor's load increases to 64%.

In beiden Fällen kann daher eine hohe Auflösung nur mit großen Nachteilen erkauft werden.In both cases, a high resolution can only be achieved with a large one Disadvantages are bought.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Digital/Analog- Umsetzverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das sich für die Verwendung eines Mikroprozessors in dem Digital/Analog- Umsetzer eignet, das eine hohe Auflösung ermöglicht und mit dem eine Digital/Analog-Umsetzung über den gesamten Bereich des Stellgrades von 0% bis 100% realisierbar ist. Als Stellgrad wird dabei der Mittelwert der Impulsfolge bezeichnet, er entspricht dem Analogwert nach der Filterung. The invention has for its object a digital / analog Implementation procedures of the type mentioned at the outset for using a microprocessor in the digital / analog Suitable converter that enables high resolution and with the a digital / analog implementation across the entire range of Output levels from 0% to 100% can be achieved. As an output level the mean value of the pulse train is called, he corresponds to the analog value after filtering.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Die Erfindung erlaubt bei vorgegebener Höhe der Auflösung die Periodendauer gegenüber dem bekannten Verfahren zu verkürzen, was wiederum die Dynamik des Ausgangssignals verbessert und weniger Aufwand für die Filterung notwendig macht. Gleichzeitig wird die zeitliche Belastung des Mikroprozessors verringert, da die Erzeugung der Feinimpulse in jedem Bearbeitungsintervall nur wenige zusätzliche Prozessorzyklen erfordert.This object is achieved by the in the characteristics of Characteristics specified solved. The invention allows for a given amount of resolution, the period duration shorten the known process, which in turn increases the dynamics the output signal improved and less effort for the Filtering is necessary. At the same time, the temporal Load on the microprocessor is reduced since the generation of the Only a few fine impulses in each processing interval additional processor cycles required.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die maximale Anzahl der Feinimpulse pro Periode kann unabhängig von der Dauer der Grobimpulse gewählt werden. Vorteilhafterweise ist die Dauer eines Feinimpulses gleich der Dauer eines Grobimpulses dividiert durch die Anzahl der in einer Periode maximal zur Einfügung vorgesehenen Feinimpulse. Bei einem Stellgrad größer als 50% werden keine Feinimpulse hinzugefügt, sondern - nach Erhöhung der Anzahl der Grobimpulse um einen Grobimpuls - die dem gewünschten Stellgrad entsprechende Anzahl von Feinimpulsen abgezogen.Advantageous developments of the invention are in the Subclaims marked. The maximum number of Fine impulses per period can be independent of the duration of the Coarse impulses can be selected. The duration is advantageous of a fine pulse equal to the duration of a coarse pulse divided by the maximum number of times in a period Insertion provided fine impulses. With an output level greater as 50% no fine impulses are added, but - after Increase the number of coarse pulses by one coarse pulse - the number of fine pulses corresponding to the desired output level deducted.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The method according to the invention is described below using a in the embodiment shown in the drawings explained. Show it:

Fig. 1 den zum Stand der Technik gehörenden zeitlichen Verlauf der periodischen Impulsfolge für verschiedene Werte des Stellgrades, Fig. 1 belonging to the prior art over time of the periodic pulse train for various values of output level,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der periodischen Impulsfolge bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für verschiedene Werte des Stellgrades im Bereich zwischen 4/16 (=25%) und 5/16 (=31,25%), Fig. 2 shows the time course of the periodic pulse train in the inventive method, for different values of the output level in the range of 4/16 (= 25%) and 5/16 (= 31.25%),

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der periodischen Impulsfolge bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für verschiedene Werte des Stellgrades im Bereich zwischen 7/16 (=43,75%) und 8/16 (=50%) und Fig. 3 shows the time course of the periodic pulse train in the inventive method, for different values of the output level in the range of 7/16 (= 43.75%) and 8/16 (= 50%) and

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der periodischen Impulsfolge bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für verschiedene Werte des Stellgrades im Bereich zwischen 12/16 (=75%) und 13/16 (81,25%). Fig. 4 shows the time course of the periodic pulse train in the inventive method, for different values of the output level in the range between 12/16 (= 75%) and 13/16 (81.25%).

Um das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen deutlicher darstellen zu können, wird in der folgenden Beschreibung von einem Ausführungsbeispiel ausgegangen, bei dem die Periodendauer gleich der 16fachen Dauer eines Grobimpulses ist.To the method according to the invention with reference to the drawings To be able to represent more clearly, is in the following Description based on an embodiment in which the period is equal to 16 times the duration of a coarse pulse is.

Im folgenden ist die Periodendauer mit T_P, die Dauer eines Grobimpulses mit T_G und die Dauer eines Feinimpulses mit T_F bezeichnet.In the following, the period is denoted by T _P , the duration of a coarse pulse by T _G and the duration of a fine pulse by T _F.

Die in der Fig. 1 dargestellte Impulsfolge entspricht der aus der oben genannten Veröffentlichung aus der Zeitschrift "Elektronik", 15. 09. 1989, auf Seite 96 in der rechten Hälfte von Bild 1 wiedergegebenen Impulsfolge. Bei der gewählten Periodendauer von 16 Grobimpulsen lassen sich - bezogen auf die Dauer einer Periode - 17 verschiedene Werte des Stellgrades darstellen. Dabei ist der Stellgrad durch das Verhältnis zwischen dem aktuellen Wert und dem maximalen Wert der dem Digital/Analog-Umsetzer zugeführten Digitalzahl bestimmt.The pulse sequence shown in FIG. 1 corresponds to the pulse sequence reproduced from the above-mentioned publication from the magazine "Electronics", September 15, 1989, on page 96 in the right half of Figure 1. With the selected period of 16 coarse pulses, 17 different values of the output level can be displayed - based on the duration of a period. The output level is determined by the ratio between the current value and the maximum value of the digital number supplied to the digital / analog converter.

In der Fig. 1 sind die Impulsfolgen für einen Stellgrad von 0% bis 100% in Schritten von 1/16 (=6,25%) übereinander dargestellt. Zwischenwerte des Stellgrades sind nicht realisierbar.In FIG. 1, the pulse sequences for an output level of 0% to 100% in increments of 1/16 (= 6.25%) are shown above each other. Intermediate values of the output level cannot be achieved.

In der Fig. 2 ist der Bereich des Stellgrades zwischen den Werten 32/128=4/16 (=25%) und 40/128=5/16 (=31,25%) dargestellt. Zwischen diesen beiden Werten sind durch die erfindungsgemäß in die periodische Impulsfolge eingefügten Feinimpulse sieben weitere Werte des Stellgrades realisierbar. Das ergibt eine Schrittweite von 1/128 (=0,78125%). In FIG. 2, the region is shown of the output level between the values of 32/128 = 4/16 ( = 25 %) and 40/128 = 5/16 ( = 31.25 %). Between these two values, seven further values of the output level can be realized by the fine pulses inserted according to the invention into the periodic pulse sequence. This results in a step size of 1/128 (= 0.78125%).

Bei den Feinimpulsen handelt es sich um zusätzliche Impulse gleicher Dauer. Die Anzahl der maximal einfügbaren Feinimpulse ist durch die Anzahl der Impulslücken bei einem Stellgrad von 50% begrenzt. Die Dauer T_F eines Feinimpulses ergibt sich aus der Dauer T_G eines Grobimpulses dividiert durch die um eins erhöhte Anzahl der in einer Periode zur Einfügung vorgesehenen Feinimpulse. Vorteilhafterweise ist die Dauer T_F eines Feinimpulses ein ganzzahliges Vielfaches der Zykluszeit des verwendeten Mikroprozessors. Daraus ergibt sich dann die maximale Anzahl der für die Einfügung vorgesehenen Feinimpulse und damit die Auflösung des Digital/Analog-Umsetzers. Die bestmögliche Auflösung ergibt sich bei einer vollständigen Ausnutzung der Impulslücken.The fine impulses are additional impulses of the same duration. The number of maximum fine impulses that can be inserted is limited by the number of impulse gaps at an output level of 50%. The duration T _{F of} a fine pulse results from the duration T _{G of} a coarse pulse divided by the number of fine pulses intended for insertion in one period. The duration T _{F of} a fine pulse is advantageously an integer multiple of the cycle time of the microprocessor used. This then results in the maximum number of fine pulses provided for the insertion and thus the resolution of the digital / analog converter. The best possible resolution results when the pulse gaps are fully exploited.

In der Fig. 2 ist die Dauer T_F eines Feinimpulses gleich einem Achtel der Dauer T_G eines Grobimpulses gewählt worden, d. h. es sind maximal sieben Feinimpulse innerhalb einer Periode zwischen die Grobimpulse eingefügt. Da in dem gewählten Beispiel acht Feinimpulse einem Grobimpuls entsprechen, wird beim Stellgrad 40/128=5/16 (=31,25%) anstelle von acht zusätzlichen Feinimpulsen ein zusätzlicher Grobimpuls in die periodische Impulsfolge eingefügt. Feinimpulse sind nur in den Lücken angeordnet, die sich bei einem Stellgrad von 50% ergeben. Aus diesem Grund sind bei 16 Impulsen pro Periodendauer nur maximal acht zusätzliche Feinimpulse einfügbar. In diesem Ausführungsbeispiel sind von den acht Feinimpulsen nur sieben Feinimpulse für die Digital/Analog- Umsetzung nutzbar, da anstelle von acht Feinimpulsen ein zusätzlicher Grobimpuls in die Impulsfolge eingefügt wird.In FIG. 2, the duration T _{F of} a fine pulse equal to one eighth of the duration T _{G of} a coarse pulse has been chosen, ie a maximum of seven fine pulses are inserted between the coarse pulses within one period. Since eight fine pulses correspond to one coarse pulse in the selected example, an additional coarse pulse is inserted into the periodic pulse sequence at output level 40/128 = 5/16 (= 31.25%) instead of eight additional fine pulses. Fine impulses are only arranged in the gaps that result from an output level of 50%. For this reason, with a maximum of 16 pulses per period, only a maximum of eight additional fine pulses can be inserted. In this exemplary embodiment, only seven of the eight fine pulses can be used for the digital / analog conversion, since an additional coarse pulse is inserted into the pulse train instead of eight fine pulses.

In der Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der periodischen Impulsfolge, bei dem erfindungsgemäß in die periodische Impulsfolge als Feinimpulse bezeichnete zusätzliche Impulse gleicher Dauer eingefügt werden, in dem Bereich des Stellgrades zwischen den Werten 56/128=7/16 (=43,75%) und 64/128=8/16 (=50%) dargestellt. Zwischen diesen beiden Werten sind durch die eingefügten Feinimpulse ebenfalls sieben weitere Werte des Stellgrades realisierbar.In Fig. 3 is the timing of the periodic pulse train, in which according to the invention referred to as fine pulses in the periodic pulse train additional pulses of equal duration to insert, in the region of the output level between the values of 56/128 = 7/16 ( = 43.75 %) and 64/128 = 8/16 (= 50%). Between these two values, the additional fine impulses can also be used to implement seven further values of the output level.

In der Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der periodischen Impulsfolge in dem Bereich des Stellgrades zwischen den Werten 96/128=12/16 (=75%) und 104/128=13/16 (=81,25%) übereinander dargestellt. Hier handelt es sich um einen Bereich des Stellgrades, der größer als 50% ist. Die Anzahl der Grobimpulse ist von 12 (bei einem Stellgrad von 75%) um einen auf 13 Grobimpulse erhöht worden. Dies entspricht in dem Ausführungsbeispiel einem Stellgrad von 81,25%. Gleichzeitig wird jeweils eine entsprechende Anzahl von Feinimpulsen von den Grobimpulsen abgezogen, so daß sich der gewünschte Stellgrad zwischen 75% und 81,25% ergibt. Je höher der gewünschte Stellgrad ist, desto weniger Feinimpulse werden abgezogen.In FIG. 4 the temporal profile is of the periodic pulse sequence in the region of the output level between the values of 96/128 = 12/16 ( = 75 %) and 104/128 = 13/16 ( = 81.25 %) is shown above the other. This is a range of the output level that is greater than 50%. The number of coarse pulses has been increased from 12 (with an output level of 75%) by one to 13 coarse pulses. In the exemplary embodiment, this corresponds to an output level of 81.25%. At the same time, a corresponding number of fine pulses is subtracted from the coarse pulses, so that the desired output level between 75% and 81.25% results. The higher the desired output level, the fewer fine pulses are drawn off.

Werden - wie in der Fig. 4 - von der Impulsfolge Feinimpulse abgezogen, so erfolgt dies nur an denjenigen Stellen, an denen bei einem Stellgrad von 50% Impulse auftreten. Aus diesem Grund sind bei 16 Impulsen pro Periodendauer maximal acht Feinimpulse abziehbar. Von diesen acht möglichen Feinimpulsen sind in diesem Ausführungsbeispiel nur sieben Feinimpulse für die Feinstufung nutzbar, da acht Feinimpulse einem Grobimpuls entsprechen.If - as in FIG. 4 - fine pulses are subtracted from the pulse sequence, this only occurs at those points where pulses occur at an output level of 50%. For this reason, a maximum of eight fine pulses can be subtracted from 16 pulses per period. Of these eight possible fine pulses, only seven fine pulses can be used for fine grading in this exemplary embodiment, since eight fine pulses correspond to one coarse pulse.

In der Praxis ist die Anzahl der Grobimpulse während der Dauer einer Periode wesentlich größer als die hier gewählten 16 Grobimpulse. In einem Digital/Analog-Umsetzer mit 256 Grobimpulsen von 250 µs Dauer ergibt sich eine Periodendauer T_P von 64 ms und eine Grundauflösung von acht Bit. Durch das Einfügen der Feinimpulse (maximal 128 Feinimpulse von 1,95 µs Dauer) steigt die Auflösung des Digital/Analog-Umsetzers auf 16 Bit. Dies bedeutet, daß bei einer für die Erzeugung eines Grobimpulses mit anschließendem Feinimpuls erforderlichen Rechenzeit des Mikroprozessors von 10 µs maximal 128 _* 10 µs = 1,28 ms für die Erzeugung der Grob- und Feinimpulse benötigt werden. Das sind 2% der Dauer T_P einer Periode. Der Mikroprozessor benötigt damit nur 2% seiner Rechenzeit für die Digital/Analog-Umsetzung. Die restliche Rechenzeit steht für andere Aufgaben zur Verfügung.In practice, the number of coarse pulses during a period is significantly larger than the 16 coarse pulses selected here. In a digital / analog converter with 256 coarse pulses of 250 µs duration, there is a period T _P of 64 ms and a basic resolution of eight bits. By inserting the fine pulses (maximum 128 fine pulses of 1.95 µs duration) the resolution of the digital / analog converter increases to 16 bits. This means that with a microprocessor computing time of 10 µs required for the generation of a coarse pulse with subsequent fine pulse, a maximum of 128 _* 10 µs = 1.28 ms are required for the generation of the coarse and fine pulses. That is 2% of the duration T _{P of} a period. The microprocessor therefore only needs 2% of its computing time for the digital / analog conversion. The remaining computing time is available for other tasks.

Claims (4)

1. Digital/Analog-Umsetzverfahren, bei dem ein umzusetzender Digitalwert durch das Tastverhältnis einer zeitlichen Folge von Impulsen (periodische Impulsfolge) innerhalb einer vorgebbaren Periodendauer dargestellt wird und bei dem die einzelnen Impulse möglichst gleichmäßig auf die gesamte Periodendauer aufgeteilt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in die periodische Impulsfolge zusätzliche Impulse (Feinimpulse) eingefügt werden, deren Dauer kürzer als die Dauer der einzelnen Impulse (Grobimpulse) der periodischen Impulsfolge ist.1.Digital / analog conversion method in which a digital value to be converted is represented by the pulse duty factor of a temporal sequence of pulses (periodic pulse sequence) within a predefinable period and in which the individual pulses are divided as evenly as possible over the entire period, characterized in that additional pulses (fine pulses) are inserted into the periodic pulse sequence, the duration of which is shorter than the duration of the individual pulses (coarse pulses) of the periodic pulse sequence. 2. Digital/Analog-Umsetzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinimpulse gleich lang sind, wobei die Dauer eines Feinimpulses gleich der Dauer eines Grobimpulses dividiert durch die um eins erhöhte Anzahl der in einer Periode maximal zur Einfügung vorgesehenen Feinimpulse ist.2. Digital / analog conversion method according to claim 1, characterized, that the fine pulses are of equal length, the duration of one Fine pulse divided by the duration of a coarse pulse by the maximum number increased in one period provided fine impulses for insertion. 3. Digital/Analog-Umsetzverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß bei Digitalzahlen, deren Wert bis zu 50% des maximalen Wertes der dem Digital/Analog-Umsetzer zugeführten Digitalzahl beträgt, die Feinimpulse zu den Grobimpulsen hinzugefügt werden und
• - daß bei Digitalzahlen, deren Wert größer als 50% des maximalen Wertes der dem Digital/Analog-Umsetzer zugeführten Digitalzahl ist, die Anzahl der Grobimpulse um einen Grobimpuls erhöht wird und eine entsprechende Anzahl von Feinimpulsen von den Grobimpulsen abgezogen werden.

3. Digital / analog conversion method according to claim 1 or claim 2, characterized in that

• - That for digital numbers, the value of which is up to 50% of the maximum value of the digital number supplied to the digital / analog converter, the fine pulses are added to the coarse pulses and
• - That in the case of digital numbers, the value of which is greater than 50% of the maximum value of the digital number supplied to the digital / analog converter, the number of coarse pulses is increased by one coarse pulse and a corresponding number of fine pulses are subtracted from the coarse pulses.

4. Digital/Analog-Umsetzverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer eines Feinimpulses ein ganzzahliges Vielfaches der Zykluszeit eines Mikroprozessors ist.4. Digital / analog conversion method according to one of the preceding Claims, characterized, that the duration of a fine pulse is an integer multiple is the cycle time of a microprocessor.