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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wandeln eines analogen
Signals in eine Frequenz gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung
eine Vorrichtung in Form einer Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch
11.
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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 spannungsgesteuerte
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, obwohl
keine Spannung angelegt wurde. Es ist nun bekannt, die Spannung-Frequenz-Wandlung zu unterbrechen,
um zwischendurch eine Neukalibrierung des VCO durchzuführen. 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 unterbricht
die Frequenzwandlung zu häufig
und lange.
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Ferner
wird bezüglich
des Standes der Technik auf die US-Patentveröffentlichung US-A-6,111,533 hingewiesen,
aus welcher ein A/D-Wandler bekannt ist, der langsam variierende Analogspannungen
von einer Abfühleinrichtung empfängt und
diese in digitale Signale wandelt. Der A/D-Wandler weist einen zweiten
Zähler
auf, der ein Impulssignal von einem zweiten spannungsgesteuerten
Oszillator empfängt,
der die Anzahl der Pulse zählt,
was den ersten Zähler
informiert, immer wenn der Zählerwert
davon eine feste Zahl erreicht und den Zählerwert davon auf Null zurücksetzt.
Wenn der erste Zähler
von dem zweiten Zähler
informiert wird, wird sein Zählerwert
gelesen und dann auf Null zurückgesetzt.
Der ausgelesene Zählerstand
repräsentiert
ein digitales Signal entsprechend der langsam variierenden Analogspannungseingangsgröße.
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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.
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Der
besondere Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, daß besonders bei stark fluktuierenden
Signalen durch etwaige Pausezeiten keine Meßlücken entstehen.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bzw.
11 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafterweise
beträgt
die weitere Eingangsspannung im wesentlichen Null Volt. Die Anlegung
der weiteren Eingangsspannung entspricht daher einer Kalibrierung.
Erfindungsgemäß wird in
dem zur Kalibrierung vorgesehenen Zeitfenster die Messung nicht
beeinträchtigt,
da auf den jeweils anderen VCO "umgeschaltet" wird.
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Hirbai
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.
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Vorzugsweise
sind die ersten und zweiten Zeitfenster gleich groß. Dadurch
entsteht eine einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ebenfalls wird so die Kalibrierungszeit der Meßzeit angeglichen, wodurch
sich u. U. die Meßgenauigkeit
steigern läßt.
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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 digitalisieren. Dadurch
kann das analoge Signal in ein digitales Wort gewandelt werden.
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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 spannungsgesteuerten 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.
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Vorzugsweise
wird die Differenz des Zählerstandes
des ersten und dritten Frequenzzählers
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.
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Vorzugsweise
werden die Ausgangsgrößen der
ersten und zweiten Subtrahierer durch einen Addierer addiert. Dadurch
wird eine vollständige
Digitalisierung des eingehenden Signales sichergestellt.
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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.
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Eine
weitere bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, daß die beiden
spannungsgesteuerten Oszillatoren in einer integrierten Schaltung
ausgebildet sind. Dadurch lassen sich insbesondere gleiche Kennlinien
einfach und kostengünstig
realisieren.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen offenbart.
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Die
Erfindung, sowie weitere Merkmale, Vorteile, Ziele und Anwendungsmöglichkeiten
wird bzw. werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Dabei
bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale
für sich
oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegen den
Erfindung, und zwar unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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2 eine
schematische Übersicht
zur Veranschaulichung des zeitlichen Arbeitsablaufs der spannungsgesteuerten
Oszillatoren der 1 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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3 eine
schematische Übersicht
zur Veranschaulichung der Zählerstände der
Zähler
der 1 zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist
schematische eine bevorzugte schaltungstechnische Implementierung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
nach Art eines Blockschaltbildes schematisch dargestellt. 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 aufgebaute VCO's,
die auf einer Siliziumfläche
implementiert sind. Durch die Unterbringung 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 Umwandlungsfaktoren. 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 spannungsgesteuerten Oszillatoren gelieferten Ausgangsfrequenz
von dem Eingangssignal bezeichnet. 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.
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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 Messung des analogen Eingangssignales durch und der VCO1
nutzt diese zweite Zeitperiode zur Offset-Kalibrierung. Dieser Vorgang
wiederholt sich eine Vielzahl von Malen. Am besten erkennt man diese
Art der Arbeitsteilung in der Tabelle der 2. Man erkennt,
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 eines im Meßintervall redundanten zweiten
Schaltungselements aufgefangen.
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In
der ersten Periode T wird dem VCO1 das analoge Eingangssignal VIN
zugeführt.
In dieser Periode liegt an dem VCO2 eine weitere Eingangsspannung
AGND (analog ground), welches im wesentlichen ein Massepotential
ist, an. Die Anzahl der Clockimpulse 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 Operationsverstärkers 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 zugeführt
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-Abgieich
und Addition durchlaufen. 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 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 Eingangsspannung von VCO2 und unter ZOS2
der Zählerstand
als Ergebnis der Offsetspannung von VCO2 verstanden. Dargestellt
sind in der 3 jeweils die in Zählerstände 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.
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Die
Erfindung wurde zuvor anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Für einen
Fachmann ist es jedoch offensichtlich, daß unterschiedliche Abwandlungen
und Modifikationen gemacht werden können, ohne den der Erfindung
zugrundeliegenden 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 schaltungstechnischen Element,
insbesondere zur Bearbeitung von elektrischen Signalen, ausgeführt werden.
Dabei ist für
eine Signalbearbeitung in Zeiten, in welchen diese aus bestimmten
Gründen
nicht möglich
oder wünschenswert
ist, wenigstens ein weiteres entsprechendes Bauelement vorgesehen,
wobei dieses in der vorgegebenen Meßpause die Signalbearbeitung übernimmt.
Bevorzugt ist die Durchführung einer
Offset-Kalibrierung in der Meßpause.
Dabei werden auch alle denkbaren Arten wie der Offset-Abgleich durchgeführt unter
der Erfindung zusammengefaßt.
Denkbar wäre
es bei spielsweise anstelle der vier Zähler mit nachgeschaltetem Subtrahierer
auch Auf-/Ab-Zähler mit
einer entsprechenden Polaritätsumkehr
der bei dem Offset-Abgleich erhaltenen 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.