Analog-Digital-Mikroprozessor

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Der Analog-Digital-Mikroprozessor ist ein mikroelektronischer Baustein an der Schnittstelle zwischen den analogen und digitalen Welten. Er wird vorzugsweise zum Umwandeln und Auswerten entsprechender Signale verwendet. Die dominierende Schwingung im analogen Signal treibt eine Ereignissteuerung der Signalverarbeitung ^[1]. Jedes Ereignis definiert einen Verfahrensschritt. Die einzelnen Verfahrensschritte laufen immer wiederkehrend auf mehreren Verfahrensebenen nebeneinander ab.

Ein- und Ausgaben

Der für den Analog-Digital-Mikroprozessor typischen parallelen Verfahrensablauf stellt das zeitnahe Ermitteln der Kennwerte, Harmonischen und Nichtharmonischen von schnell veränderlichen Signalen sicher. Die Ausgabe wird durch abgeleitete Infomuster, Steuersignale, Ereignisstempel sowie eine Gewichtung der Ergebnisse für die nachfolgende Weiterverarbeitung ergänzt. Die Infomuster werden direkt aus den genannten Kennwerten, Harmonischen und Nichtharmonischen gebildet und zur Auswertung in einer neuronalen Nachverarbeitung, die nicht im Analog-Digital-Mikroprozessor enthalten ist, zeitdiskret ausgegeben. Eine technische Ausführung lässt sich mit Hilfe schneller, programmierbarer Logikbausteine realisieren.

Referenz- und Reset-Signal

Als zusätzliche Eingangssignale müssen ein Referenzsignal und der Bezug zum Referenzsignal für die erste und zweite Verfahrensebene bereitgestellt werden. Diese beiden Signale werden zur Steuerung des gesamten Verfahrensablaufes benötigt. Über ein Reset-Signal, das von der ersten und der dritten Verfahrensebene überwacht wird, kann der Verfahrensablauf gestartet oder angehalten werden.

Äquidistante und nichtäquidistante Abtastung

Um vielfältige Anwendungen zu ermöglichen, wird auch eine nichtäquidistante Abtastung von Signalen zugelassen. Die Abtastschrittweite des zu analysierenden Signals muss dann für jeden Abtastschritt vorgeben werden. Ebenso werden Steuersignale und Infomuster für die externe Weiterverarbeitung in nichtäquidistanten Abständen ausgeben.

Rücktransformationen aus dem Frequenzbereich

Die Zeitachse, als aufsummierte Abtastschrittweite, wird für die erste und zweite Verfahrensebene benötigt. Der notwendige Zeitbezug für die Rücktransformation aus dem Frequenzbereich in den Zeitbereich wird von der ersten Verfahrensebene oder extern vorgeben. Ebenso kann die Phasenverschiebung jeder Rücktransformierten zusätzlich extern korrigiert werden.

Verfahrensablauf, Zustände und Ereignisse

Der Verfahrensablauf wird mit Hilfe von Ereignissen gesteuert, die den jeweiligen Verfahrensebenen zugeordnet sind^[2]. Jede Verfahrensebene nimmt dabei in Abhängigkeit vom jeweiligen Ereignis einen bestimmten Verfahrenszustand ein.

Das zu analysierende Signal wird auf den Verfahrensebenen Eins, Zwei, Vier und Fünf nebeneinander verarbeitet. Die Verfahrensebene Zwei stellt Flächenelemente unter dem zu analysierenden Signal und die Abtastwerte zeitlich versetzt für die erste Verfahrensebene bereit. Auf der Verfahrensebene Vier wird die obere und Fünf die untere Hüllkurve des zu analysierenden Signals überwacht.

Auf der sechsten Verfahrensebene werden aus arithmetischem Mittelwert und Periodendauer Vorhersagewerte gewonnen. Dort werden zudem das Gewicht des Analyseergebnisses und die Frequenz des zu analysierenden Signals ausgegeben.

Auf der siebenten und evtl. weiteren Verfahrensebenen werden die Phasen der Grundschwingung und weiterer Oberschwingungen ermittelt, die auch für die Rücktransformierten benötigt werden.

Entstehungsgeschichte

Das Verfahren enthält eine Sammlung von Auswerte-Routinen für den Postprozess der Systemsimulatoren Simplorer und Portunus. Sie wurden für die Online-Auswertung von Berechnungs-, Simulations- und Optimierungsdaten während der Laufzeit der Modelle geschrieben^{[3] [4]}. Mit einer komfortablen Online-Auswertung kann der Aufwand für den Postprozess auf ein Minimum reduziert werden^[5].

Applikationen und Entwicklungsziele

Die verwendete Beschreibung der Auswerte-Routinen als Steuerungsautomat in einer modifizierten Petri-Netz-Sprache^[6] ermöglicht das Zusammenfassen zu dem Verfahrensablauf des Analog-Digital-Mikroprozessors. Er steht als eigenständiges Simplorer-Modell zur Verfügung, wird im Präprozess des Systemsimulators Simplorer und für die Online-Auswertung von Berechnungs-, Simulations- und Optimierungsdaten während der Laufzeit eingesetzt. Unabhängig davon kann der Analog-Digital-Mikroprozessors für die oben beschriebene Signalanalyse eingesetzt werden. Als ein Entwicklungsziel für eine breite Anwendung wird angestrebt, neuartige Infomuster aus Sprachsignalen zu extrahieren.

Einzelnachweise

1. ↑ Chr. Jacob: Verfahren zur Periodendauer- und Wellenlängenmessung dominanter Schwingungen und Wellen sowie zur Spektralanalyse von Schwingungen und Wellen. DE 195 20 836, 31. Mai 1995.
2. ↑ Chr. Jacob: Verfahren zum zeitnahen Ermitteln der Kennwerte, Harmonischen und Nichtharmonischen von schnell veränderlichen Signalen mit zusätzlicher Ausgabe davon abgeleiteter Muster, Steuersignale, Ereignisstempel für die Nachverarbeitung sowie einer Gewichtung der Ergebnisse. DE 10 2007 006 084, 7. Februar 2007.
3. ↑ M. Kronberg: Virtuelles Praktikum.
4. ↑ A. Wintrich: Verhaltensmodellierung von Leistungshalbleitern für den rechnergestützten Entwurf leistungselektronischer Schaltungen. TU Chemnitz, 30. November 1996.
5. ↑ Christian Jacob, Hong Ha Nguyen, Michel Huart, Jun Tao: Optimierung der Spannungsreglung einer schleifringlosen Synchronmaschine. In: 11. Symposium Maritime Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik. 3./4. Juni 2004, Universität Rostock.
6. ↑ K. Geißler: Benutzerhandbuch Simplorer v42 deutsch, SIMEC Chemnitz 1999, S. 122-130