CN106716844A - 用于使模拟信号数字化的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于使模拟信号数字化的设备，其中失真信号发生器的失真信号输出端仅仅借助于无源组件被耦合到模拟数字转换器上。

Description

用于使模拟信号数字化的设备

技术领域

本发明涉及用于使模拟信号数字化的设备。设备具有模拟数字转换器，所述模拟数字转换器具有用于信号的信号输入端。设备此外具有失真信号发生器，所述失真信号发生器具有失真信号输出端，其中失真信号发生器被构造，用于在所述失真信号输出端处提供失真信号。

按照前序部分所述的设备尤其被使用，以便将模拟信号转化为数字信号，例如以便可以借助于微控制器或其他控制单元中的电子数据处理装置分析和进一步处理由传感器所提供的信号。失真信号发生器在此尤其用于提高模拟数字转换器的分辨率。这样的失真信号发生器的使用背景是以下事实：很多模拟数字转换器虽然具有比对于确定的使用目的所必要的、同时由于其分辨率、也即最小可区别的信号电平所引起的采样频率快得多的采样频率，但是仅使得能够太粗略地检测信号。分辨率在模拟数字转换器中通常以位来说明。

背景技术

模拟数字转换器（也称作模拟数字变换器（Analog-Digital-Wandler））例如可以具有100 kHz至200 kHz的采样速率，而尤其在汽车领域中，所连接的传感器的测量参量的带宽可以例如低于1 kHz。在此，分辨率经常处于大约10位的数量级中，然而在很多应用中，例如13位或14位的分辨率可能是值得期望的。

失真信号发生器因此被使用，以便将时间分辨率转换成较高的采样精度。所述方法也被称作抖动（Dithering）。在此，具有小的有效值的噪声被添加到要数字化的信号上，所述有效值典型地处于几个最低值位（也称作最低有效位（Least Significant Bits,LSB））的数量级中。由此得出的信号以失真信号的瞬时值围绕与要数字化的信号对应的值波动，其中所述由此得出的信号然后由模拟数字转换器被数字化。如果失真信号例如具有平均值零，那么模拟数字转换器的许多输出值的平均值可以对应于要数字化的恒定信号的正确输出值。然而，所述平均值具有较高的分辨率。也即在构成平均值时形成具有小于1LSB的数位价（Wertigkeit）的数位（Stellen）。原则上，不仅随机噪声而且伪噪声作为失真信号的使用为此可供使用。在随机噪声情况下，非强制性地确保：在一组例如五十个相继的噪声值中，平均值也实际上为零。这样的随机噪声例如可以通过随机发生器产生，所述随机发生器基于自然现象、诸如放射性衰变的观察。在使用伪噪声的情况下，典型地使用数学函数，所述数学函数基于输出值产生伪随机数。所述伪随机数具有定义的特性；尤其可以计算：多少伪随机数必须被分组，以便实现零平均值。即使这样的组的平均值不为零，伪噪声也总是仍能够被使用，因为平均值是已知的，并且可以简单地在计算上被补偿。

在使用随机噪声时尤其也谈及“随机抖动（Random Dithering）”，而 在使用伪随机数时也谈及“确定性抖动（Deterministic Dithering）”。已经表明，在使用伪随机数的情况下也可以使用简单定义的信号、诸如三角形信号或锯齿形信号。如果在此应当实现零平均值，那么这典型地通过以下方式进行：所使用的值所源自的时间段包括相应失真信号的整数数目个周期，其中所使用的值被取平均成一个值。然而因为存在用于在计算上进行补偿的可能性，所以甚至当平均值是恒定的和已知的时，原则上也足够了。

在前序部分所述的设备情况下，典型地使用失真信号发生器、加法器和模拟数字转换器和微控制器，用于实现确定性抖动。在此，加法器典型地负责将失真信号叠加到要数字化的模拟信号上，紧接着所述模拟信号由模拟数字转换器数字化，并且以数字化形式被转发给微控制器。微控制器接着在多个测量值上形成平均值，其中所述平均值与失真信号发生器的信息有关。加法器典型地在使用有源组件、例如运算放大器的情况下被构建。已经表明，虽然这种实施方案实现高的分辨率并且适用于很多使用目的，但是另一方面也应耗费地和昂贵地来制造。

发明内容

因此本发明的任务是，设置用于使模拟信号数字化的设备，所述设备与按照现有技术的设备相比更简单地被实施。这按照本发明通过按照权利要求1所述的设备实现。有利的扩展方案例如可以从从属权利要求中得知。通过明确的引用使权利要求的内容成为说明书的内容。

本发明涉及用于使模拟信号数字化的设备。设备具有模拟数字转换器，所述模拟数字转换器具有用于信号的信号输入端。设备此外具有失真信号发生器，所述失真信号发生器具有失真信号输出端，其中失真信号发生器被构造用于，在失真信号输出端处提供失真信号。

按照本发明规定，失真信号输出端仅仅借助于无源组件被耦合到模拟数字转换器上。

本发明基于以下认识：为了达到对于许多应用足够的精度，借助于有源组件、例如运算放大器实施的常规加法器的使用不是强制性必要的。更确切地说，为此无源组件、尤其电阻（R）和/或电容器（C）以及必要时电感（L）足够了。

失真信号的数量级在此典型地为若干最低有效位（LSB），例如1、2或3 LSB。尤其失真信号的数量级典型地明显小于要数字化的信号的数量级，例如失真信号可以具有最大数值，所述最大数值小于要数字化的模拟信号的最大数值的10%或小于5%。失真信号在此优选地是确定性的，例如是三角形信号或锯齿形信号，或者也是伪随机数信号。优选地，失真信号具有零平均值，然而这不是强制性必要的，因为与零不同的平均值可以没有问题地在计算上被补偿。优选地使模拟数字转换器与失真信号发生器同步化。代替模拟数字转换器，例如也可以使微控制器相应地与失真信号发生器同步化，所述微控制器接收和/或分析由模拟数字转换器所提供的信号。在同步化范围内，关于失真信号的信息尤其可以被传送。

按照一种优选的实施方案，失真信号输出端在无有源组件的情况下、尤其在无运算放大器的情况下耦合到模拟数字转换器上。这使得能够特别有利地减少耗费并且从而减少成本。本申请的发明人已经发现，对于多种多样的应用仍然可以达到足够的精度和质量。

优选地，模拟数字转换器是微控制器的组成部分。这使得能够直接进一步处理由模拟数字转换器产生的信号、尤其形成平均值并且还有在继续计算中使用。

进一步优选地，失真信号发生器同样是微控制器的组成部分。这使得能够特别有利地简化结构，因为包含模拟数字转换器的微控制器同时也可以产生失真信号。失真信号发生器在此例如可以借助于微控制器的数字输出端实现，所述数字输出端构成失真信号输出端。这样的数字输出端经常存在于微控制器中，例如以便承担控制功能。所述数字输出端典型地可以经由内部寄存器或计数器以定义的方式被切换，其中电路可以通过软件控制（kontrolliert）。这使得能够通过相应地操控微控制器的数字输出端按软件实现失真信号。

按照一种实施方案，模拟数字转换器具有差分输入端，其中失真信号输出端与差分输入端的端子耦合。尤其当要数字化的信号是单端的（massebezogen）时，这样的实施方案是有利的。差分输入端典型地是以下输入端，在所述输入端情况下由模拟数字转换器在正信号输入端和负信号输入端之间确定要数字化的信号。在此，尤其可以将要数字化的信号连接到正信号输入端上，而将失真信号输出端与模拟数字转换器的负输入端耦合。然而相反的实施方案也是可能的。在使用具有差分输入端的模拟数字转换器的情况下，按照现有技术设置的用于产生叠加的加法器可以通过以下方式被替代，即失真信号输出端以简单的方式与模拟数字转换器的输入端耦合。这能够实现特别简单的和仍然完全一样功能的实施方案。

优选地，分压器在此连接在失真信号输出端和参考电势、优选地地之间，其中差分输入端的端子连接在分压器的输出端上。因此，电压可以被减少到期望的、明显较小的值上，所述电压施加在失真信号输出端上并且典型地明显高于所需要的，因为所述电压典型地是微控制器的供应电压。所述明显较小的电压于是被用于使模拟数字转换器的测量失真。在此，此外电容器优选地连接在差分输入端的端子和参考电势之间，所述电容器进一步优选地跨接分压器的至少一个电阻。因此，可以借助于失真信号输出端、例如借助于脉冲宽度调制来设定分别施加在差分输入端的端子上的电压。在此，电容器例如刚好如此程度地被充电，使得所述电容器具有期望的电压。

按照一种简单地要实现的实施方案，在失真信号输出端处输出对称的矩形电压，由此在电容器处形成充电和放电曲线，所述充电和放电曲线典型地分别遵循指数函数。所述充电和放电曲线可以如已经提及的三角形或锯齿形电压那样被使用。

按照一种可替代的实施方案，模拟数字转换器除了信号输入端外还具有参考输入端。在此，失真信号输出端与参考输入端耦合。因此，在不具有差分输入端的模拟数字转换器中，仍然可以实现失真信号输出端与模拟数字转换器的直接耦合，其中为此使用参考输入端，所述参考输入端在典型的模拟数字转换器的情况下尤其在微控制器中应当根据制造商规范典型地与供应电压之一的端子连接，但是如发明人已经认识到的，也可以与失真信号输出端耦合。在此典型地在模拟数字转换器中关于参考输入端实施除法运算。在此情况下，因此典型地不涉及通过加法或减法将失真信号叠加到要数字化的信号上、而是涉及通过除法来叠加，然而这在进一步处理时在计算的范围内可以容易地被考虑。通过除法代替加法或减法也可以谈及，该行为不再被称作抖动。然而效果是非常类似的。

优选地，在此分压器连接在失真信号输出端和参考电势、优选地正电势之间，其中参考输入端连接在分压器的输出端上。因此，以与上面已经描述的类似的方式，可以将信号调整到期望的数量级上。

在此，电容器优选地连接在参考输入端和参考电势之间，所述电容器进一步优选地跨接电压场的至少一个电阻。因此，以与上面已经进一步描述的相同的方式，所期望的电压尤其可以通过脉冲宽度调制被设定或上面已经进一步描述的矩形电压可以被设定。

按照一种实施方案，失真信号输出端和提供信号的信号端子与信号输入端耦合。这能够实现由信号端子提供的要数字化的信号与失真信号的叠加。在此情况下，因此叠加不是像在两个已经描述的实施方案中那样在模拟数字转换器内部进行，而是在外部进行。在此情况下，如本申请的发明人已经认识到的那样，也可以仅仅动用无源组件，这在相当程度上节省耗费和成本。仍然得到对于大多应用目的足够的质量。

在此，失真信号输出端与信号输入端优选地直流电压耦合，其中耦合在此尤其以电流的方式（galvanisch）进行。在此，使信号端子优选地与信号输入端交流电压耦合，而且进一步优选地以电容方式进行。通过失真信号输出端的直流电压耦合实现将失真信号直接导入到模拟数字转换器中。通过信号端子的电容耦合，实现失真信号输出端与信号端子按直流电压退耦。应提及的是，尤其当施加在信号端子上的信号至少在其相关的频率成分方面具有最小频率时，其中在所述最小频率之下的频率成分是不相关的，这里描述的实施方案是有利的。尤其，信号不应当具有相关的直流电压分量。

可替代于此地，也可以使用相反的实施方案，也即失真信号输出端可以与信号输入端交流电压耦合，而信号端子是直流电压耦合的。尤其当信号具有相关的直流电压分量或特别低的频率时，这可能是有利的。

优选地，分压器连接在失真信号输出端和参考电势、优选地地之间，其中信号输入端连接在分压器的输出端上。因此，如上面已经进一步描述的那样，实现失真信号的数量级的调整。按照一种实施方式，在数字化之后，在由模拟数字转换器所提供的信号情况下，例如在微控制器中进行信号解调。因此，交流电压信号的分量可以以有利的方式被标识。为此，可以动用已知的算法。

在具有分压器的实施方案中，尤其在如在上面已经进一步描述的这样的实施方案中，分压器的连接在失真信号输出端和分压器的输出端之间的电阻优选地大于连接在分压器的输出端和参考电势之间的电阻。因此，实现在失真信号输出端上所施加的信号的有利减小，所述信号典型地是微控制器的供应电压，并且因此按数值而言是太大的。

附图说明

本领域技术人员从随后参考附图所描述的实施例中得知其他的特征和优点。在此：

图1示出具有按照第一实施例的布线的微控制器，

图2示出具有按照第二实施例的布线的微控制器,和

图3示出具有按照第三实施例的布线的微控制器。

图1示出微控制器μC，所述微控制器μC具有集成的模拟数字转换器ADC。所述模拟数字转换器ADC具有差分输入端，其中所述差分输入端具有正端子ADC+和负端子ADC-。施加在两个端子ADC+、ADC-之间的电压差由模拟数字转换器ADC数字化。

微控制器μC具有数字输出端D，所述数字输出端D当前用作失真信号输出端。微控制器μC因此同时也用作失真信号发生器。在微控制器中实现软件，所述软件负责：数字输出端D可以以脉冲宽度调制的方式或利用矩形信号（例如这样如上面已经进一步描述的那样）被操控，使得经由随后描述的电路产生定义的失真信号。在此，可以尤其借助于软件确定矩形信号或其他信号的频率。

数字输出端D经由分压器S与地连接，其中分压器S具有第一电阻R1和第二电阻R2。在此，第一电阻R1具有比第二电阻R2明显更高的电阻值。因此，由数字输出端D提供的信号被向下划分到小得多的值，其中所述信号可以在微控制器μC的供应电压和地之间变换，所述值当前按电压对应于模拟数字转换器ADC的三个最低有效位（LSB）。此外，电容器C1横越（über）第二电阻R2接线，所述电容器C1可以通过分压器S被充电。在此，电容器C1连接在分压器S的输出端上，所述输出端处于两个电阻R1、R2之间。如果数字输出端D采用正电势，那么电容器C1以这种方式被充电。如果数字输出端D采用负电势，那么电容器C1被放电。这使得能够精确地设定电容器C1的电压。失真信号例如可以作为不同脉冲宽度调制设定的序列在数字输出端D处形成。然而，在分压器S的输出端处也可以借助于电容器C1产生中间值，尤其在以下值之间产生：即分压器S的输出端在失真信号输出端处的高电势或者低电势情况下采用所述值。在该情况下，因此在分压器S的输出端处的电压升高和降低期间尤其进行测量，其中组件的设计优选地被安排，使得电压均匀地升高和降低。

分压器S的输出端和电容器C1的与之连接的端子此外与模拟数字转换器ADC的负端子ADC-连接。因此，施加在正端子ADC+上的信号相对于借助于数字输出端D可设定的电压值被数字化。 这使得能够以类似的方式叠加经由数字输出端D可设定的失真信号，如这在借助于（如在现有技术中常见的）所建议的加法器叠加失真信号的情况下会进行的那样。然而可以放弃使用按照现有技术为此必要的有源组件。

信号VS施加在正端子ADC+上，所述信号VS应当被数字化。微控制器μC当前进一步具有参考端子Ref，所述参考端子Ref与参考电压VR连接。所述参考电压VR在微控制器μC中在内部被使用，然而与按照图1的接线不进一步相关。

微控制器μC此外被构造用于，当前以锯齿形信号的形式在负端子ADC-处产生定义的信号序列。为此，数字输出端D相应地被操控，使得电容器C1采用必要的电压。因为微控制器μC产生这些值本身，所以所述微控制器μC也知道所述值，并且可以相应地分析由模拟数字转换器ADC所提供的信号。尤其，经由大量相继实施的测量形成平均值，其中所述平均值比模拟数字转换器ADC的分辨率更精确。然而，模拟数字转换器ADC的可能的采样频率比用于对信号VS采样可能需要的采样频率明显更高。因此通过刚刚描述的在使用失真信号的情况下形成平均值，可以将较高的、然而不直接地需要的时间分辨率转换成更好的采样分辨率。这对于很多应用带来优点，因为可以放弃使用价值较高的、可能外部的模拟数字转换器。

应提及的是，使用锯齿形信号作为失真信号在许多应用中是有利的。所述锯齿形信号例如可以借助于脉冲宽度调制信号的序列在数字输出端D处被产生。然而，三角函数的良好近似也是可能的，其尤其由在电容器C充电和放电时的指数函数的片段组成。这尤其基于以下认识，即在电容器C1处的电压的斜率在充电和放电时是相同的。

图2示出具有按照第二实施例的布线的微控制器。

应理解的是，失真信号的使用的基本工作原理与第一实施例类似地来实施。因此随后仅探讨第二实施例与第一实施例的区别。

不同于第一实施例的模拟数字转换器ADC，第二实施例的模拟数字转换器ADC不具有差分输入端。所述第二实施例的模拟数字转换器ADC具有仅一个正端子ADC+，要数字化的信号VS被连接在所述正端子ADC+上。相对于纯内部的负端子ADC-进行测量，所述负端子ADC-固定接线地接地，并且不可变。

微控制器μC与在第一实施例情况下完全一样地具有数字输出端D。所述数字输出端D同样与具有两个电阻R1、R2的分压器S耦合，其中电容器C1横越第二电阻R2接线。然而与第一实施例不同，分压器S在其与数字端子D相对置的末端处不与地连接，而是与供应电压VDD连接。因此，原则上可以以与参考第一实施例所描述的方式非常类似的方式产生失真信号。

作为另一区别，分压器S的输出端不与负端子ADC-连接，而是与参考端子连接，其中电容器C1也连接在所述分压器S的输出端上。所述参考端子是用于在模拟数字转换器ADC中所使用的参考电势的输入端，施加在正端子ADC+上的信号在它被数字化之前除以所述参考电势。因此当前不经由加法或差形成进行叠加，而是经由除法进行。微控制器μC在第二实施例的情况下被编程，使得所述微控制器μC同样形成平均值，然而在考虑其他叠加的失真信号情况下来形成。因此，可以以相同的方式将时间分辨率转换成更好的采样分辨率。

图3示出具有按照第三实施例的布线的微控制器μC。在此，不同于第一和第二实施例，失真信号不直接耦合到微控制器μC上，而是更确切地说将失真信号与要数字化的信号VS叠加。数字化信号VS在此借助于电容器C1被耦合，使得所述信号VS是交流电压耦合的。信号VS的直流电压分量因此被减弱。微控制器μC的数字输出端D以与在图1中相同的方式与分压器S连接，所述分压器S具有两个电阻R1、R2，并且在其与数字输出端D相对置的末端处与地连接。分压器S的处于电阻R1和R2之间的输出端与电容器C1连接。相同的端子也与正端子ADC+连接。此外，所述相同的端子与第三电阻R3连接，所述第三电阻R3在其相对置的端子处又与供应电压VDD连接。微控制器μC的参考输入端Ref当前固定地与参考电势VR连接。

通过所描述的和在图3中示出的布线，在失真信号被输入耦合到模拟数字转换器ADC中之前，使该失真信号直接地与要数字化的信号VS叠加，其中所述失真信号如上面已经描述的那样借助于分压器S在其数值方面被调整。在图3中示出的布线在此虽然具有与利用有源器件、诸如运算放大器实施的加法器稍微不同的传输特性，但是所述传输特性对于典型的应用足够了。所述传输特性尤其可以在由微控制器μC所执行的计算时被补偿。通过放弃有源组件实现耗费和成本的明显减小。

属于本申请的权利要求不是放弃对继续保护的获得。

只要在方法的运行中表明，一个特征或一组特征不是强制性必要的，那么在申请人方面现在已经力求表述至少一个独立权利要求，所述独立权利要求不再具有所述特征或该组特征。在此情况下，例如可以涉及在申请日存在的权利要求的子组合，或涉及在申请日存在的权利要求的通过其他特征限制的子组合。这样的要新表述的权利要求或特征组合可以被理解为由该申请的公开一同覆盖。

此外应指出，在不同的实施方案或实施例中描述的和/或在图中示出的本发明扩展方案、特征和变型方案可以任意地彼此组合。单独的或多个特征可以任意互相被交换。从中形成的特征组合可以被理解为由该申请的公开一同覆盖。

从属权利要求中的回引不能被理解为放弃针对所回引的从属权利要求的特征获得独立的具体保护。也可以任意地将这些特征与其他特征组合。

仅仅在说明书中所公开的特征或在说明书中或在权利要求中仅结合其他特征所公开的特征原则上可以具有独立的发明本质上的意义。因此，所述特征也可以单独为了与现有技术划定界限被列入权利要求中。

Claims (15)

1. 用于使模拟信号（VS）数字化的设备，具有：

-模拟数字转换器（ADC），所述模拟数字转换器（ADC）具有用于所述信号（VS）的信号输入端（ADC+），和

-失真信号发生器，所述失真信号发生器具有失真信号输出端（D），其中所述失真信号发生器被构造用于，在所述失真信号输出端（D）处提供失真信号，

其特征在于，

-所述失真信号输出端（D）仅仅借助于无源组件耦合到所述模拟数字转换器（ADC）上。

2.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，

-所述失真信号输出端（D）在无有源组件、尤其在无运算放大器的情况下耦合到所述模拟数字转换器（ADC）上。

3.按照上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，

-所述模拟数字转换器（ADC）是微控制器（C）的组成部分。

4.按照权利要求3所述的设备，其特征在于，

-所述失真信号发生器同样是所述微控制器（C）的组成部分。

5.按照权利要求4所述的设备，其特征在于，

-所述失真信号发生器借助于所述微控制器（C）的数字输出端（D）实现，所述数字输出端（D）构成所述失真信号输出端（D）。

6.按照上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，

-所述模拟数字变换器具有差分输入端，

-其中所述失真信号输出端（D）与所述差分输入端的端子（ADC-）耦合。

7.按照权利要求6所述的设备，其特征在于，

-分压器（S）连接在所述失真信号输出端（D）和参考电势、优选地地之间，

-其中所述差分输入端的所述端子（ADC-）连接到所述分压器的输出端（D）上。

8.按照权利要求7所述的设备，其特征在于，

-电容器（C1）连接在所述差分输入端的所述端子（ADC-）和所述参考电势之间，

-所述电容器（C1）优选地跨接所述分压器（S）的至少一个电阻（R2）。

9.按照上述权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，

-所述模拟数字变换器除了信号输入端（ADC+）之外具有参考输入端（Ref），

-其中所述失真信号输出端（D）与所述参考输入端（Ref）耦合。

10.按照权利要求9所述的设备，其特征在于，

-分压器（S）连接在所述失真信号输出端（D）和参考电势、优选地正电势（VDD）之间，

-其中所述参考输入端（Ref）连接到所述分压器（S）的输出端（D）上。

11.按照权利要求10所述的设备，其特征在于，

-电容器（C1）连接在所述参考输入端（Ref）和所述参考电势之间，

-所述电容器（C1）优选地跨接所述分压器（S）的至少一个电阻（R2）。

12.按照权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，

-所述失真信号输出端（D）和提供所述信号（VS）的信号端子与所述信号输入端（ADC+）耦合。

13. 按照权利要求12所述的设备，其特征在于，

-所述失真信号输出端（D）与所述信号输入端（ADC+）直流电压耦合，优选地以电流方式耦合，和

-所述信号端子与所述信号输入端（ADC+）交流电压耦合，优选地以电容方式耦合。

14.按照权利要求12或13所述的设备，其特征在于，

-分压器（S）连接在所述失真信号输出端（D）和参考电势、优选地地之间，

-其中所述信号输入端（ADC+）连接到所述分压器（S）的输出端上。

15.按照权利要求7、8、10、11或14之一所述的设备，其特征在于，

-所述分压器的连接在所述失真信号输出端（D）和所述分压器的所述输出端之间的电阻（R1）大于连接在所述分压器（S）的所述输出端和所述参考电势之间的电阻（R2）。