DE10048726A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wandlung eines analogen Signals in eine Frequenz - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Wandeln eines analogen Signals (VIN) in eine Frequenz ergibt sich eine kontinuierliche Verarbeitung des anliegenden Signals trotz erwünschter Pausezeiten dadurch, daß zur Wandlung zwei spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCO1, VCO2) vorgesehen sind, wobei an den ersten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1) in einem ersten Zeitfenster eine weitere Eingangsspannung (AGND) und an den zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) in einem zweiten Zeitfenster die weitere Eingangsspannung (AGND) angelegt wird, wobei die ersten und zweiten Zeitfenster nicht überlappen, wobei das analoge Signal (VIN) im ersten Zeitfenster an den zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) und im zweiten Zeitfenster an den ersten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1) angelegt wird, und wobei die Frequenz im ersten Zeitfenster an dem zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) und im zweiten Zeitfenster an dem ersten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1) abgegriffen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wandeln eines analogen Signals in eine Frequenz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die vor­ liegende Erfindung eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12.

Im Stand der Technik sind sogenannte spannungsgesteuerte Oszillatoren oder VCO's bekannt. Dieses Schaltungselement ist ein Oszillator, dessen Oszillationsfrequenz von einer angelegten Spannung abhängt. Ferner ist die Anwendung bekannt, daß die VCO's zur Digitalisierung von analogen Eingangssignalen verwendet werden. Derartige span­ nungsgesteuerte Oszillatoren besitzen den Nachteil, daß sie einen sogenannten Offset- Fehler besitzen. Ein idealer VCO würde bei einer Eingangsspannung von Null Volt ein Signal mit Frequenz Null liefern. Ein realer VCO dagegen erzeugt eine Frequenz, ob­ wohl keine Spannung angelegt wurde. Es ist nun bekannt, die Spannung-Frequenz- Wandlung zu unterbrechen, um zwischendurch eine Neukalibrierung des VCO durchzu­ führen. Eine derartige Unterbrechung ist allerdings dahingehend nachteilig, da während der Dauer der Unterbrechung eine Meßlücke vorhanden ist. Eine Unterdrückung der Kalibrierung verschlechtert die Meßgenauigkeit und eine regelmäßige Kalibrierung un­ terbricht die Frequenzwandlung in zu häufig und lange.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben bzw. zu schaffen, bei welcher eine kontinuierliche Verarbeitung des anliegenden Signales trotz erwünschter und/oder erforderlicher Pausezeiten möglich ist.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, daß besonders bei stark . fluktuierenden Signalen durch etwaige Pausezeiten keine Meßlücken entstehen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Wandlung zwei spannungsgesteuerte Oszillatoren vorgesehen sind, wobei an den ersten spannungsgesteuerten Oszillator in einem ersten Zeitfen­ ster eine weitere Eingangsspannung und an den zweiten spannungsgesteuerten Oszilla­ tor in einem zweiten Zeitfenster die weitere Eingangsspannung angelegt wird, wobei die ersten und zweiten Zeitfenster nicht überlappen, wobei das analoge Signal im ersten Zeitfenster an den zweiten spannungsgesteuerten Oszillator und im zweiten Zeitfenster an den ersten spannungsgesteuerten Oszillator angelegt wird, und wobei die Frequenz im ersten Zeitfenster an dem zweiten spannungsgesteuerten Oszillator und im zweiten Zeitfenster an dem ersten spannungsgesteuerten Oszillator abgegriffen wird.

Vorteilhafterweise beträgt die weitere Eingangsspannung im wesentlichen Null Volt. Die Anlegung der weiteren Eingangsspannung entspricht daher einer Kalibrierung. Er­ findungsgemäß wird in dem zur Kalibrierung vorgesehenen Zeitfenster die Messung nicht beeinträchtigt, da auf den jeweils anderen VCO "umgeschaltet" wird.

Bevorzugt sind die ersten und zweiten Zeitfenster alternierend aufeinanderfolgend, so daß das Eingangssignal stets einem der spannungsgesteuerten Oszillatoren zugeführt wird, während an dem anderen spannungsgesteuerten Oszillator eine Spannung die weitere Eingangsspannung anliegt.

Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Zeitfenster gleich groß. Dadurch entsteht eine einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ebenfalls wird so die Kali­ brierungszeit der Meßzeit angeglichen, wodurch sich u. U. die Meßgenauigkeit steigern läßt.

Vorzugsweise ist dem ersten spannungsgesteuerten Oszillator im zweiten Zeitfenster ein erster Frequenzzähler und dem zweiten spannungsgesteuerten Oszillator im ersten Zeitfenster ein zweiter Frequenzzähler nachgeschaltet, um das analoge Signal zu digita­ lisieren. Dadurch kann das analoge Signal in ein digitales Wort gewandelt werden.

Bevorzugt ist dem ersten spannungsgesteuerten Oszillator im ersten Zeitfenster ein dritter Frequenzzähler und dem zweiten spannungsgesteuerten Oszillator im zweiten Zeitfenster ein vierter Frequenzzähler nachgeschaltet, um den von den spannungsge­ steuerten Oszillatoren gelieferten Wert bei der weiteren Eingangsspannung zu erfassen. Auch die schaltungstechnisch den VCO's folgenden Komponenten sind vorzugsweise entsprechend, da diese sich ja lediglich abwechseln und ansonsten gleich verhalten sollten.

Vorzugsweise wird die Differenz des Zählerstandes des ersten und dritten Frequenz­ zählers nach dem zweiten Zeitfenster durch einen ersten Subtrahierer gebildet. Ebenso wird bevorzugt die Differenz des zweiten und vierten Frequenzzählers nach dem ersten Zeitfenster durch einen zweiten Subtrahierer gebildet.

Vorzugsweise werden die Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Subtrahierer durch einen Addierer addiert. Dadurch wird eine vollständige Digitalisierung des eingehenden Signales sichergestellt.

Um ein optimales Matching-Verhalten sicherzustellen ist bevorzugt, daß die beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren identisch aufgebaut sind. Dann ist die alternierende Betriebsweise optimal realisierbar, da durch das Umschalten von einem zum anderen spannungsgesteuerten Oszillator keine Veränderung vorzunehmen sind.

Eine weitere bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, daß die beiden spannungsge­ steuerten Oszillatoren in einer integrierten Schaltung ausgebildet sind. Dadurch lassen sich insbesondere gleiche Kennlinien einfach und kostengünstig realisieren.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patent­ ansprüchen offenbart.

Die Erfindung, sowie weitere Merkmale, Vorteile, Ziele und Anwendungsmöglichkei­ ten wird bzw. werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merk­ male für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, und zwar unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprü­ chen oder deren Rückbeziehung. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 eine schematische Übersicht zur Veranschaulichung des zeitlichen Arbeitsab­ laufs der spannungsgesteuerten Oszillatoren der Fig. 1 zur Erläuterung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 3 eine schematische Übersicht zur Veranschaulichung der Zählerstände der Zähler der Fig. 1 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist schematische eine bevorzugte schaltungstechnische Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Art eines Blockschaltbildes schematisch darge­ stellt. Die Schaltungsanordnung 1 weist zwei spannungsgesteuerte Oszillatoren VCO1 und VCO2 auf. Dabei steht die Abkürzung VCO für "voltage controlled oscillator". Die spannungsgesteuerten Oszillatoren sind dabei vorzugsweise zwei nahezu identisch auf­ gebaute VCO's, die auf einer Siliziumfläche implementiert sind. Durch die Unterbrin­ gung der VCO's auf einer sehr kleinen Fläche und durch die identische Ausbildung ist das Matching-Verhalten besonders gut. Die VCO's besitzen daher die gleichen Um­ wandlungsfaktoren. Es gilt daher zumindest in ausreichender Näherung die Beziehung F1 = F2 = f(VIN), wobei F1 die Frequenz von VCO1, F2 die Frequenz von VCO2 und f(VIN) die funktionale, insbesondere lineare, Abhängigkeit der von den spannungsge­ steuerten Oszillatoren gelieferten Ausgangsfrequenz von dem Eingangssignal bezeich­ net. Den VCO1 und VCO2 sind jeweils ein erster Zähler 11 und ein dritter Zähler 13 bzw. ein zweiter Zähler 12 und ein vierter Zähler 14 zur Zählung der von den VCO1 bzw. VCO2 gelieferten Frequenz in einen Zählerstand, d. h. in einen gemittelten Wert des analogen Signales, nachgeschaltet. Den Zählern 11 und 13 ist ein Subtrahierer 15 und den Zählern 12 und 14 ist ein Subtrahierer 16 nachgeschaltet. Die Ausgangsignale der Subtrahierer 15 und 16 werden über einen Addierer 17 addiert.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 gestaltet sich wie folgt. In einer ersten Zeitperiode führt der VCO1 eine Messung des analogen Eingangssignales durch. In dieser Zeitperiode führt der VCO2 eine Offset-Kalibrierung durch. In einer unmittelbar daran anschließenden zweiten Zeitperiode, welche im Ausführungsbeispiel in ihrer Dauer der ersten Zeitperiode (= T) entspricht, führt der zweite VCO2 eine Mes­ sung des analogen Eingangssignales durch und der VCO1 nutzt diese zweite Zeitperi­ ode zur Offset-Kalibrierung. Dieser Vorgang wiederholt sich eine Vielzahl von Malen. Am besten erkennt man diese Art der Arbeitsteilung in der Tabelle der Fig. 2. Man er­ kennt, daß das analoge Eingangssignal VIN ständig einem der VCO's, d. h. entweder dem VCO1 oder dem VCO2, zugeführt wird. Es gibt daher keine Meßlücke wie sie bei herkömmlichen Verfahren vorhanden wäre. Die für die Messung nicht nutzbare, aber für die Meßgenauigkeit erforderliche, Kalibrierungsdauer wird durch das Vorsehen ei­ nes im Meßintervall redundanten zweiten Schaltungselements aufgefangen.

In der ersten Periode T wird dem VCO1 das analoge Eingangssignal VCO1 zugeführt. In dieser Periode liegt an dem VCO2 eine weitere Eingangsspannung AGND (analog ground), welches im wesentlichen ein Massepotential ist, an. Die Anzahl der Clockim­ pulse des Eingangssignals wird von dem ersten Frequenzzähler 11 gezählt. Die Anzahl der Clock- oder Taktimpulse des Kalibrierungssignales AGND wird zur selben Zeit vom zweiten Frequenzzähler 12 gezählt. Bei einem idealen VCO müßte eigentlich eine Eingangsspannung von Null Volt auch eine DC-Signal liefern. In der Praxis besitzen die spannungsgesteuerten Oszillatoren aber insbesondere aufgrund des verwendeten Opera­ tionsverstärkers ein AC-Signal auch bei der Eingangsspannung von Null Volt. Gerade das Meßergebnis von diesem Offset, welcher nicht zeitlich konstant ist, zu bereinigen, ist ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung. In dem dritten Frequenzzähler ist dabei das Ergebnis einer vorangegegangenen Kalibrierung von VCO1 gespeichert. Zu geeigneten Taktzeiten wird die Differenz der Inhalte des ersten und dritten Zählers durch den Subtrahierer gebildet. Ein entsprechender Ablauf ist phasenversetzt dem VCO2 zugeordnet. Die von den Subtrahierern 15 und 16 gelieferten Signale, welche vom Offset-Fehler korrigierte Zählerstände darstellen, werden dem Addierer 17 zuge­ führt und von diesem addiert. Das Eingangssignal hat nun über einen kontinuierlichen Zeitraum die Wandlung in ein digitales Wort durch die getaktet ablaufenden Stufen, Spannung-Frequenzwandlung, Frequenzzählung. Offset-Abgleich und Addition durch­ laufen. Das vom Addierer 17 gelieferte Signal läßt sich als Z1(n + 1) - ZOS1(n) + Z2(n + 1) - ZOS2(n), wobei n = 0, 1, 2. . . ist, ausdrücken. Anschaulich ausgedrückt setzt sich das Ausgangssignal des Addierers aus den periodisch versetzten Meßergebnissen der Zähler korrigiert um die ebenfalls periodisch entsprechend versetzten Offset-Werte zusammen. Hierzu wird ebenfalls auf die Fig. 3 verwiesen, in der das Ergebnis der Zähler schematisch dargestellt ist. Unter Z1 wird dabei der Zählerstand als Ergebnis der analogen Eingangsspannung von VCO1, unter ZOS1 der Zählerstand als Ergebnis der Offsetspannung von VCO1, unter Z2 der Zählerstand als Ergebnis der analogen Ein­ gangsspannung von VCO2 und unter ZOS2 der Zählerstand als Ergebnis der Offset­ spannung von VCO2 verstanden. Dargestellt sind in der Fig. 3 jeweils die in Zähler­ stände der in der jeweiligen Periode "aufgefrischten" Zähler. Dies bedeutet, daß in dem ersten (ganz linken) Feld das Ergebnis der zweiten und dritten Zähler nicht aufgeführt ist. Diese sind nämlich bereits in der vorangegangenen nullten Periode gebildet wurden und enthalten einen vorangegangenen Wert von VIN bzw. einen vorangegangenen Offsetwert von VCO1.

Die Erfindung wurde zuvor anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. Für einen Fachmann ist es jedoch offensichtlich, daß unterschiedliche Abwand­ lungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne den der Erfindung zugrun­ deliegenden Gedanken zu verlassen. So wurde die Erfindung zuvor in Verbindung mit einem schaltungstechnischen Element, d. h. einem spannungsgesteuerten Oszillator, beschrieben. Selbstverständlich kann die Erfindung mit jedem geeigneten schaltungs­ technischen Element, insbesondere zur Bearbeitung von elektrischen Signalen, ausge­ führt werden. Dabei ist für eine Signalbearbeitung in Zeiten, in welchen diese aus be­ stimmten Gründen nicht möglich oder wünschenswert ist, wenigstens ein weiteres ent­ sprechendes Bauelement vorgesehen, wobei dieses in der vorgegebenen Meßpause die Signalbearbeitung übernimmt. Bevorzugt ist die Durchführung einer Offset-Kali­ brierung in der Meßpause. Dabei werden auch alle denkbaren Arten wie der Offset- Abgleich durchgeführt unter der Erfindung zusammengefaßt. Denkbar wäre es beispielsweise anstelle der vier Zähler mit nachgeschaltetem Subtrahierer auch Auf-/Ab- Zähler mit einer entsprechenden Polaritätsumkehr der bei dem Offset-Abgleich erhalte­ nen Resultate zu verwenden, auch können alle schaltungstechnischen Varianten, welche die oben ausführlich erläuterte Gleichung (Z1(n + 1) - ZOS1(n)) + (Z2(n + 1) - ZOS2(n)), ebenso realisieren, welche beispielsweise die algebraisch umgeformte Gleichung (Z1(n + 1) + Z2(n + 1)) - (ZOS1(n) + ZOS2(n)) abbilden, erfindungsgemäß eingesetzt werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Wandeln eines analogen Signals (VIN) in eine Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wandlung zwei spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCO1, VCO2) vorgesehen sind, wobei an den ersten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1) in einem ersten Zeitfenster eine weitere Eingangsspannung (AGND) und an den zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) in einem zweiten Zeitfenster die weitere Ein­ gangsspannung (AGND) angelegt wird, wobei die ersten und zweiten Zeitfenster nicht überlappen, wobei das analoge Signal (VIN) im ersten Zeitfenster an den zweiten span­ nungsgesteuerten Oszillator (VCO2) und im zweiten Zeitfenster an den ersten span­ nungsgesteuerten Oszillator (VCO1) angelegt wird, und wobei die Frequenz im ersten Zeitfenster an dem zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) und im zweiten Zeitfenster an dem ersten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1) abgegriffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Eingangs­ spannung im wesentlichen Null Volt beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Zeitfenster alternierend aufeinanderfolgend sind, so daß das Eingangssignal (VIN) stets einem der spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO1, VCO2) zugeführt wird, während an dem anderen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1, VCO2) die weitere Eingangsspannung (AGND) anliegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die er­ sten und zweiten Zeitfenster gleich groß sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1) im zweiten Zeitfenster ein erster Fre­ quenzzähler (11) und dem zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) im ersten Zeitfenster ein zweiter Frequenzzähler (12) nachgeschaltet ist, um das analoge Signal (VIN) zu digitalisieren.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1) im ersten Zeitfenster ein dritter Fre­ quenzzähler (13) und dem zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) im zweiten Zeitfenster ein vierter Frequenzzähler (14) nachgeschaltet ist, um den von den span­ nungsgesteuerten Oszillatoren (VCO1, VCO2) gelieferten Wert bei der weiteren Ein­ gangsspannung (AGND) zu erfassen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz des Zähler­ standes des ersten und dritten Frequenzzählers (11, 13) nach dem zweiten Zeitfenster durch einen ersten Subtrahierer (15) gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz des zweiten und vierten Frequenzzählers (12, 14) nach dem ersten Zeitfenster durch einen zweiten Subtrahierer (16) gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Subtrahierer (15, 16) durch einen Addierer (17) addiert werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO1, VCO2) im wesentlichen identisch aufgebaut sind.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO1, VCO2) in einer integrierten Schaltung ausgebildet sind.

12. Schaltungsanordnung (1) zum Wandeln eines analogen Signals (VIN) in eine Fre­ quenz, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (1) zwei span­ nungsgesteuerte Oszillatoren (VCO1, VCO2) aufweist, wobei im Betrieb an den ersten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO1) in einem ersten Zeitfenster eine weitere Ein­ gangsspannung (AGND) und an den zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) in einem zweiten Zeitfenster die weitere Eingangsspannung (AGND) angelegt ist, wo­ bei die ersten und zweiten Zeitfenster nicht überlappen, wobei das analoge Signal (VIN) im ersten Zeitfenster an den zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) und im zweiten Zeitfenster an den ersten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) angelegt ist, und wobei die Frequenz im ersten Zeitfenster die Ausgangsgröße des zweiten span­ nungsgesteuerten Oszillators (VCO2) und im zweiten Zeitfenster die Ausgangsgröße des ersten spannungsgesteuerten Oszillators (VCO1) ist.