CN1152376A - 用于一个电信号模/数转换的方法及实施该方法的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于一个电信号模/数转换的方法及实施该方法的装置。根据本发明的方法规定：求出从待转换电压(Ux)开始到将一个RC单元(10，12)充电或放电到预定比较电压，例如一个比较器(14)的开关阈值(SH)，(SL)所需的时间。根据本发明的装置在于:一个转换开关(13)，比较器(14)及一个计时器(15)被包括在一个微处理机(17)中，该微处理机与RC单元(10，12)及在必要时与一输入电阻(11)相连接。根据本发明的方法及装置实现起来特别简便，并尤其适用于在其中未集成地包括任何模/数转换器的微处理机(17)。
Description
现有技术
本发明涉及根据独立权利要求类型的用于一个电信号模/数转换的方法及实施该方法的装置。由U.Tietze及Ch.Schenk著的专业书“半导体电路技术”第二版，1971年，第536-537页公知了用于一个电信号模/数转换的方法及装置，它们是基于一种双积分的方法。在第一方法步骤中，一个积分器其输出值被调节到零。在第二方法步骤中，积分器在给定时间中对待转换输入电压进行积分。在预定时间期满后，在第三方法步骤中，用已知的参考电压取代待转换的电压施加在积分器上，该积分器进行反向积分，直至该积分器的输出值重新达到零为止。该用于反向积分所需的时间将被估算为用于待转换电压的量度。对于该公知的双积分方法所需的功能元件，例如积分器、比较器、节拍发生器，控制逻辑部分及计数器现今已全部地包括在集成电路中。
本发明的任务在于，给出一种用于一个电信号模/数转换的方法及实施该方法的装置，它们特别简单，并尤其可结合一个微处理机来实现。
该任务将通过独立的方法权利要求及从属的装置权利要求中所包含的特征来解决。本发明的优点
根据本发明的用于一个电信号的模/数转换的方法具有这样的优点：可达到相对高的精确度，它仅与一个电阻-电容组合(RC单元)的容差相关。其基本的优点在于实现起来成本上特别合算，因它可以用少量的元件来实现。实现起来特别适合的是微处理机，利用根据本发明的方法微处理机不需要包括任何模/数转换器。
在第一方法步骤中，RC单元的电容器被充电到待转换电压。在第二方法步骤中，使电容器通过限流元件与一个电压源相连接，其电压高于或低于一个比较电压值。在第三方法步骤中，求得电容器上电压变化至达到比较电压的时间。该时间为用于待转换电压的量度。
根据本发明的用于一个电信号模/数转换的方法的有利结构及进一步构型由从属权利要求给出。
一个有利的构型规定：比较电压用一个比较器的开关阈值来实现。对于比较器在以下将被理解为一个逻辑组件、如一个微处理机的输入电路，该微处理机至少具有一个确定的开关阈值。
一个有利的进一步构型设有这样的措施，即比较器具有一个开关滞后性能，由它形成两个不同的开关阈值。利用这一措施，可以对待转换的电压设置宽的容许范围。
另一个有利的构型在于：根据比较器输出信号来预定电压源较高电压或较低电压之间的选择。根据比较器输出信号的控制可以保证，从待转换电压开始的电容器上的电压总是能达到比较电压。
又一有利的构型在于：可自适应地求得比较器的一个或最好两个开关阈值。通过这个习识过程可以与比较器的一个或两个开关阈值无关地达到高的快速稳定性及由此达到高的测量精度。
根据本发明的装置具有的优点是实现起来成本特别合算。电容器通过一个作为限流元件的电阻与一个开关相连接，该开关可具有一个高阻的开关状态。比较电压被作为比较器的阈值来实施。
根据本发明的用于实施一个电信号模/数转换方法的装置的有利构造及进一步构型由从属装置权利要求给出。
一个特别有利的构型在于：开关，比较器及一个计时器被包括在一个微处理机中。如已经提及的，比较器是包括在微处理机中的微处理机输入接口后面的输入电路，它最好具有一种滞后特性。这种输入端也被称为施密特触发器输入端。作为外部组件仅需要RC单元及必要时的一个输入电阻。
根据本发明的用于一个电信号的模/数转换的方法及根据本发明的用于实施该方法的装置的另外有利结构及进一步构型由另外的从属权利要求并结合以下说明来给出。
附图
图1表示根据本发明的用于实施一个电信号的数/模转换的方法的装置的电路框图；
图2表示上述方法的流程图；及
图3至5表示在图1中所包括的一个电容器的电压随时间变化的波形图。
图1中示出一个电容器10，它通过一个输入电阻11及一个积分电阻12与待转换的电压Ux相连接，及通过该积分电阻12与一个转换开关13相连接，以及还与一个比较器14相连接。在电容器10上具有电容电压Uc。比较器14具有开关滞后特性，它通过在比较器14中标有的符号来象征。
比较器14将比较器输出信号UCOMP既输出到转换开关13也输出到一个计时器15。计时器15输出一个结果信号16，它代表待转换电压Ux的量度。
转换开关13包括三个开关位置。第一位置使积分电阻12与正的驱动电压U+相连接。转换开关13的第二位置相当于一个高阻状态，及转换开关13的第三开关位置使积分电阻12与负的驱动电压GND相连接。
转换开关13，比较器14及计时器15被设置在一个微处理机17中，对该微处理机供给正的驱动电压U+及负的驱动电压GND。
图2中所示的流程图在开始20后起始于第一方法步骤21，在该步骤上使电容器电压Uc充电到待变换电压Ux。在第二方法步骤22中确定比较器输出信号UCOMP是否具有高电平(H电平)，根据其询问结果或是进入第一指令23或是进入第二指令24。在第一指令23中电容器10通过一个限流元件与负驱动电压GND相连接，而在第二指令24中电容器10通过限流元件与正驱动电压U+相连接。在第一指令23后设有第一时间求值25，它求得下积分时间TL，在该时间内，自待转换电压Ux出发的电容器电压Uc有比较器14的比较电压值。在第二指令24后设有第二时间求值26，它求得上积分时间TH，在该时间内，自待转换电压Ux出发的电容器电压Uc达到比较器14的比较电压值。
图3表示与时间t有关的两种电容器电压Uc，它出现在比较器14的开关阈值的习识过程中。第一曲线30开始于负的驱动电压GND，并通过经由积分电阻12的充电渐近地接近正的驱动电压U+。直到第一曲线30取得相当于比较器14的上开关阈值SH的电压值Uc时所经过的时间被称为第一常数时间TKH，在该上开关阈值时比较器14从低电平(L电平)转换到H电平。借助在图3中所示的第二曲线31将会习识出比较器14的一个下开关阈值SL。从相当于正驱动电压U+的电容器电压Uc出发，电容器10通过积分电阻12放电，直到渐进地达到负的驱动电压GND。直到比较器14达到下开关阈值SL所经过的时间称为第二常数时间TKL，在该下开阈值时比较器14从H电平转换到L电平。
图4中表示第一信号波形32，其中自第一待转换电压U+x1出发的电容器电压Uc达到比较器14的上开关阈值SH。电容器电压Uc上升到达比较器14的上开关阈值SH所经过的时间被称为第一转换时间TH。
图5表示第二信号波形33，其中，自第二待转换电压Ux2出发的电容器电压Uc达到比较器14的下开关阈值SL。电容器电压达到比较器14的下开关阈值SL所经过的时间被称为第二转换时间TL。
对于根据本发明的方法将借助于图1中所示的电路框图结合图2中所示的流程图以及结合图3至5中所示的信号波形图来详细解释。
只要至少比较器14的一个开关阈值SH，SL未已知，就可以进行该至少一个开关阈值SH，SL的试验求值。在一定情况下设有的微处理机17将最好包括转换开关13，比较器14及计时器15，该微处理机可在任何时候被合乎目的地用来习识比较器14的该至少一个开关阈值SH，SL。对于根据本发明的方法，开关阈值SH，SL的绝对值没有任何意义。相反地，实质性的是第一常数时间TKH或第二常数时间TKL。这两个常数时间TKH，TKL是包括电容器10及积分电阻12的RC单元10，12的时间常数的度量。积分电阻12在其中被用作限流元件。原则上譬如一个电流源也适于作为这种限流元件。
比较器14最好是一个逻辑电路的输入电路，它具有开关电平SH，SL。这样一个输入电路例如包含在微处理机输入接口的后方。设有施密特触发器输入电路的输入接口具有这两个电压阈值SH，SL，它相当子一个滞后环节。比较器14的输出信号UCOMP相当于输入接口的内部逻辑信号。
对上开关阈值SH的习识是这样进行的，即预先给出在图3中所示的第一曲线30。从电容器10的无电压状态出发，第一转换开关13被接到正驱动电压U+上。因此电容器电压Uc从相当于负驱动电压GND的输出值开始按第一曲线30上升。在达到比较器14的上开关阈值SH时，比较器输出信号UCOMP由L电平跳变到H电平。这里假定，在下阈值SL以下时比较器输出信号UCOMP具有L电平并在上升的电容电压达到上开关阈值SH时才转换成H电平。这里作为基础的两个开关阈值SH，SL通过一个预定的滞后值来区别，该滞后值是在集成逻辑电路制造时确定的。在转换开关13转换到正驱动电压U+与比较器输出信号UCOMP从L电平过渡到H电平之间的时间相当于第一常数时间TKH，它被存储在一个未在图1中示出的存储器中。并有：
SH＝U+*(1-exp(-TKH/RC)) (式1)式中R是积分电阻i1的电阻值，及C是电容器10的电容值。
以类似的方式可借助于第二曲线31来习识比较器14的下开关阈值。第二曲线31开始于与正驱动电压U+相对应的电容器电压Uc。第二曲线31对负驱动电压GND的逼近可通过积分电阻12的反向积分来形成，这时积分电阻12被转换开关13转换到负驱动电压GND上。在转换开关13转换到负驱动电压GND与比较器14的下开关阈值SL区域之间的时间相应于第二常数时间TKL，它也被存储在一个未在图1中示出的存储器中。并有：
SL＝U+*exp(-TKL/RL) (式2)
只要设有比较器14的一个开关阈值，该第一曲线30或第二曲线31可作为习识该开关阈值的基础。实质上仅是要测出比较器输出信号UCOMP从L电平向H电平的转换点或从H电平向L电平的转换点。
模/数转换开始于图2中所示的开始步骤20，由于至少一个比较器14的开关阈值SH，SL是已知的，其中至少一个开关阈值SH，SL相当于一个比较电压值。在第一方法步骤21上使电容电压Uc处于待转换电压Ux。待转换电压Ux通过输入电阻11(及积分电阻12)到达电容器10。输入电阻11的值可被选择成这样大小，即在转换期间待转换电压Ux的波动至少几乎对转换没有影响。在另一构型中，在随后的方法步骤期间可设计成使待转换电压Ux与电容10完全分离。在第二方法步骤上电容器10通过限流元件12，例如积分电阻12与一个电压源相连接，后者电压值高于或低子与至少一个开关阈值SH，SL相对应的比较器14的比较电压值。该积分电阻12也可设置在连接到转换开关13上的导线中，并使得输入电阻11直接与电容器10相连接。在图示的实施例中，预定电压一方面是微处理机17的正驱动电压U+，另一方面则是微处理机的负驱动电压GND。
在该情况下设有询问步骤22，这时将根据比较器输出信号UCOMP来操作转换开关13。只要比较器输出信号具有H电平，将在第一指令步骤23上将转换开关13转换到负驱动电压GND。如果该比较器输出信号UCOMP具有L电平，则在第二指令步骤24上将转换开关13转换成正驱动电压U+。上述的前提也适用于这些电平的确定。原则上并不一定要求根据比较器的输出信号UCOMP来操作转换开关13。在两个电压之间按顺序自然地来回转换也是适用的，其中在下一第二方法步骤时在任何情况下将得到比较器输出信号UCOMP的一次电平变化。利用在该情况下设有的根据比较器输出信号UCOMP进行对转换开关13的控制将保证：在下一个第二方法步骤时在一次开关过程后总会出现比较器输出信号UCOMP的一次电平改变。
如果第一待转换电压Ux1这样地小，以致比较器输出信号U+COMP具有L电平，则在第二方法步骤中根据第二指令24使转换开关13与正驱动电压U+相连接。从图4中所示的第一待转换电压Ux1出发，电容器电压Uc按照第一信号波形32上升。在达到比较器14的上开关阈值SH时比较器输出信号UCOMP从L电平转换到H电平。计时器15求得该时间：即在转换开关13转换到正驱动电压至达到上电压阈值SH之间所经过的时间，它等于第一转换时间TH。并有：SH＝Ux1＋(U+-Ux1)*(1－exp(-TH/RC)) (式3)通过式3与式1的方程组可得到：SH＝Ux1＋(U+-Ux1)*(1－exp(-TH/RC))＝U+*(1-exp(-TKH/RC))由此得到Ux1：Ux1＝U+*(1－exp((TH－TKH)/RC))结果得到，第一待转换电压仅与第一转换时间TH有关。其余出现的量均是已知的。
如果待转换电压Ux这样地大，以致比较器输出信号UCOMP是有H电平，则在第二方法步骤中由第二指令23使转换开关13与负驱动电压GND相连接。因此在图5中所示的信号曲线33开始于第二待转换电压Ux2并接着下降到低电压值。在达到比较器14的下开关阈值SL时，比较器输出信号从H电平变化到L电平。计时器15检测出转换开关13转换与电平改变之间所经过的时间，即第二转换时间TL。并有：SL＝Ux2*exp(-TL/RC) (式4)通过式2与式4的方程组可得到：SL＝Ux2*exp(-TL/RC)＝U+*(-TKL/RC)由此得到Ux2：Ux2＝(U+*exp((TL－TKL)/RC)因此第二待转换电压Ux2仅与第二转换时间TL有关。其余的量是已知的。
求得作为结果信号的第一或第二转换时间TH，TL的计时器15将作为待转换电信号量度的这些时间作为结果信号16再传送给一个最好也设在微处理机17内部的计算单元，它将时间TH或TL换算成一个电压数据或电流数据。指数函数的结果值最好由表求得，该表被存储在一个未示出的微处理机17的存储器中。
Claims (12)
1、用于一个电信号模/数转换的方法，其特征在于：
-在第一步骤(21)中电容器(10)被充电到一个待转换电压(Ux1，Ux2)；
-在第二步骤中使电容器(10)通过限流元件(12)与一个电压源(U+，GND)相连接，其电压高于或低于一个比较电压值(SH，SL)；
-在第三步骤中求得电容器(10)上的电压变化至达到比较电压(SH，SL)的时间，及
-将求得的时间(TH，TL)估算成用于待转换信号(Ux1，Ux2)的量度。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：至少设有比较器(14)的一个开关阈值(SH，SL)作为比较电压。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：比较器(14)具有一个滞后特性，它产生出一个上开关阈值(SH)及一个下开关阈值(SL)。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据比较器(14)的比较器输出信号(UCOMP)来确定与比较电压(SH，SL)相比较的较高或较低电压的选择。
5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：至少比较器(14)的一个开关阈值(SH，SL)在一个预先的方法步骤中被习识。
6、用于实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于：
设置了一个积分电阻(12)作为限流元件，它通过一个转换开关(13)可与电压源(U+，GND)相连接；及电容电压(Uc)被输入到一个比较器(14)，后者的比较器输出信号(UCOMP)被连接到一个计时器(15)。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于：待转换电压(Ux)通过一个输入电阻(11)可与电容器(10)相连接。
8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于：转换开关(13)具有一个高阻开关状态。
9、根据权利要求6所述的装置，其特征在于：电压源的电压值相当于正的或负的驱动电压(U+，GND)。
10、根据权利要求6所述的装置，其特征在于：转换开关(13)，比较器(14)及计时器(15)被包括在一个微处理机(17)中。
11、根据权利要求6或10所述的装置，其特征在于：比较器(14)是一个逻辑电路的输入电路。
12、根据权利要求11所述的装置，其特征在于：该输入电路被包括在一个微处理机(17)的一个输入接口中。
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