DE102004020264A1

DE102004020264A1 - Analog-Digital-Wandler und Verfahren zum Wandeln eines analogen Messsignals

Info

Publication number: DE102004020264A1
Application number: DE200410020264
Authority: DE
Inventors: Oliver Blank; Hans Reisinger; Reinhard Stengl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-17

Abstract

Ein Analog-Digital-Wandler umfasst einen Eingang (61) zum Empfangen eines analogen Messsignals, eine Einrichtung (31, 71) zum Erzeugen eines sich zeitlich ändernden analogen Signals (101), eine Einrichtung zum Überlagern des Messsignals und des sich zeitlich ändernden Signals (101), um ein analoges Überlagerungssignal (111) zu erzeugen, eine Wandler-Einrichtung, die über ein vorbestimmtes Zeitintervall, basierend auf dem Überlagerungssignal (111), eine Mehrzahl von Zählwerten (131, 136, 141, 151, 161) erzeugt, und eine Verarbeitungseinrichtung, die, basierend auf den erzeugen Zählwerten (131, 136, 141, 151, 161), einen gemittelten Zählwert erzeugt und ausgibt.

Description

Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Wandler und ein Verfahren zum Wandeln eines analogen Messsignals und insbesondere auf einen Analog-Digital-Wandler mit einer erhöhten Auflösung.

Immer häufiger werden in elektrischen Geräten Analog-Digital-Wandler eingesetzt, an die die Anforderung gestellt wird, eine möglichst hohe Auflösung zu haben. Beispielsweise werden in Motorsteuerungen von Kraftfahrzeugen Mikrocontroller mit einem Analog-Digital-Wandler eingesetzt, die über einen Sensor die Temperatur des Abgases ermitteln. Um den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, ist eine möglichst präzise Steuerung des Motors, und damit eine möglichst präzise Erfassung der Abgastemperatur erforderlich. Dies erfordert einen Analog-Digital-Wandler mit einem hohen Auflösungsvermögen.

Moderne Mikrocontroller umfassen meist 8 Bit AD-Wandler, um auch analoge Messwerte verarbeiten zu können. Die Auflösung dieser AD-Wandler reicht oft, wie zum Beispiel für anspruchsvolle Regelaufgaben, nicht aus.

Bisherige Lösungen des Problems sind es, beispielsweise analoge Eingangs-Messwerte mit Hilfe eines Operationsverstärkers zu verstärken oder einen teueren hochauflösenden Analog-Digital-Wandler zusätzlich zu verwenden.

Hierbei werden in elektrischen Geräten Analog-Digital-Wandler eingesetzt, die beispielsweise eine Wandlung eines analogen Signals über ein Parallelverfahren, ein Kaskadenverfahren, ein Regelverfahren oder ein Zählverfahren durchführen. Um hochauflösende Analog-Digital-Wandler zu realisieren, werden die analogen Eingangs-Messwerte mit Hilfe eines Operations verstärkers verstärkt, oder es wird ein hochauflösender Wandler eingesetzt.

Ein Nachteil für einen Einsatz eines Operationsverstärkers für die Verstärkung eines Messsignals ist, dass der Operationsverstärker das Messsignal erst mit einer gewissen Verzögerung verstärkt, was einen Verlust an Dynamik mit sich bringt.

Nachteilhaft an einem Einsatz eines hochauflösenden Analog-Digital-Wandlers ist, dass dieser eine hochkomplexe Schaltungsstruktur erfordert, was wiederum eine hohe Chipfläche nach sich zieht. Die hohe Chipfläche führt zu entsprechend hohen Kosten für die Herstellung des hochauflösenden Analog-Digital-Wandlers.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analog-Digital-Wandler zu schaffen und ein Verfahren zum Wandeln eines analogen Messsignals in einen Zählwert zu schaffen, wobei der Analog-Digital-Wandler eine höhere Auflösung hat und billiger herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Analog-Digital-Wandler gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Analog-Digital-Wandler mit einem Eingang zum Empfangen eines analogen Messsignals, einer Einrichtung zum Erzeugen eines sich zeitlich ändernden analogen Signals, einer Einrichtung zum Überlagern des Messsignals und des sich zeitlich ändernden Signals, um ein analoges Überlagerungssignal zu erzeugen, eine Wandler-Einrichtung, die über ein vorbestimmtes Zeitintervall basierend auf dem Überlagerungssignal eine Mehrzahl von Zählwerten erzeugt und eine Verarbeitungseinrichtung, die basierend auf den erzeugten Zählwerten einen gemittelten Zählwert erzeugt und ausgibt.

Außerdem schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Wandeln eines analogen Messsignals in einen Zählwert, das die Schritte des Überlagerns des Messsignals mit einem zeitlich sich ändernden Signal, um ein analoges Überlagerungssignal zu erzeugen, das Erzeugen einer Mehrzahl an Zählwerten über ein vorbestimmtes Zeitintervall basierend auf dem Überlagerungssignal und ein Bestimmen und Ausgeben eines aus den erzeugten Zählwerten gemittelten Zählwerts, umfasst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Messsignal mit einem sich zeitlich ändernden Signal überlagert werden kann, und die von einer nachfolgenden Wandler-Einrichtung über ein vorbestimmtes Zeitintervall bestimmten Zählwerte so gemittelt werden können, dass der gemittelte Zählwert das analoge Messsignal mit einer höheren Auflösung widerspiegelt.

Die Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung zielen daher darauf ab, die AD-Auflösung auch für low-cost Anwendungen von Mikrocontrollern ohne zusätzliche teuere Bauelemente deutlich zu erhöhen.

Da keine zusätzlichen aktiven Bauelemente, wie beispielsweise Operationsverstärker oder weitere Analog-Digital-Wandler-Stufen, einzusetzen sind, ist der hochauflösende Analog-Digital-Wandler einfacher herzustellen. Die geringere Anzahl an benötigten aktiven Bauelementen führt auch dazu, dass, wenn der Analog-Digital-Wandler auf einem Chip integriert ist, dieser eine geringere Chipfläche hat. Eine geringere Anzahl an Bauelementen führt auch dazu, dass der Analog-Digital-Wandler mit einer hohen Auflösung kostengünstiger herzustellen ist. Gleichzeitig ist der Analog-Digital-Wandler, der durch eine hohe Auflösung gekennzeichnet ist, in einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zuverlässiger, da er weniger aktive Bauelemente benötigt. Jedes aktive Bauelement bringt nämlich ein zusätzliches Ausfallrisiko mit sich.

Da in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Verarbeitungseinrichtung zum Mitteln der Zählwerte und die Einrichtung zum Erzeugen des sich zeitlich ändernden analogen Signals teilweise mittels Software über einen programmierbaren Rechner bzw. Mikrocontroller hergestellt werden können, kann das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sogar von einem Anwender umprogrammiert werden, wenn er beispielsweise die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers ändern möchte. Dies zeigt, dass ein Analog-Digital-Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch eine hohe Flexibilität gekennzeichnet ist.

Neben dem Anwender kann selbstverständlich auch der Hersteller eines Chips mit programmierbaren Elementen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nutzen, um mit ein und demselben Hardware-Design eines Chips, Analog-Digital-Wandler mit höherer oder nicht so hoher Auflösung herzustellen. Dies unterstützt die Herstellung von Analog-Digital-Wandlern mit hoher Auflösung in einem industriellen Massenherstellungsprozess.

Aufgrund der geringeren Anzahl an aktiven Bauelementen, die ein Analog-Digital-Wandler gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung benötigt, ist der Analog-Digital-Wandler am Ende des Fertigungsverfahrens leichter zu testen und weist in seinem Einsatz beim Verbraucher einen geringeren Stromverbrauch auf. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der hochauflösende Analog-Digital-Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in tragbaren Geräten eingesetzt wird, an die die Anforderung eines niedrigen Stromverbrauchs gestellt wird.

Da bei einem hochauflösenden Analog-Digital-Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung keine weiteren Schaltungsstufen eingesetzt werden, ist die Dynamik des Analog-Digital-Wandlers höher als in bisherigen Lösungen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Analog-Digital-Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 zeitlicher Verlauf der Zählwerte während einer Periode und Verlauf der Überlagerungssignalspannung; und
3 Übertragungsfunktionen von verschiedenen Analog-Digital-Wandlern im Vergleich.
1 zeigt einen Analog-Digital-Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zu erkennen sind ein Mikrocontroller 1, ein Versorgungsspannungsanschluss 11, ein Masseanschluss 21, ein Kondensator 31, ein Arbeitspunktwiderstand 41 und ein Temperaturwiderstand 51. Der Mikrocontroller 1 umfasst einen Wandlereingang 61, einen Rechtecksspannungsausgang 71 und einen AD-Wandler-Ausgang 81. Ein Rechtecksignal 91 und eine Dreieckspannung 101 erläutern die Spannungsverläufe an dem aus dem Kondensator 31 und dem Arbeitspunktwiderstand 41 gebildeten RC-Glied.
Der Versorgungsspannungsanschluss 11 dient zur Spannungsversorgung des Mikrocontrollers 1 und der aus dem Temperaturwiderstand 51 und dem Arbeitspunktwiderstand 41 gebildeten Spannungsteilerschaltung. Der Spannungsabfall tritt dabei gegenüber dem Masseanschluss 21 auf. Ein Abgriffspunkt zwischen dem Arbeitspunktwiderstand 41 und dem Temperaturwiderstand 51 ist an den Wandler-Eingang 61 angeschlossen. Der Rechtecksspannungsausgang 71 des Mikrocontrollers 1 ist an eine erste Elektrode des Kondensators 31 angelegt, während der Wandlereingang 61 mit einer zweiten Elektrode des Kondensators 31 leitend verbunden ist.
Die aus dem Arbeitspunktwiderstand 41 und dem Temperaturwiderstand 51 gebildete Reihenschaltung von Widerständen stellt einen Spannungsteiler dar, dessen abgegriffene Spannung am Wandler-Eingang 61 von dem Widerstand des Temperaturwiderstands 51 und damit von der Temperatur eines Temperaturwiderstandes 51 abhängt. Über dem veränderbaren Arbeitspunktwiderstand 41 kann der Arbeitspunkt der Spannungsteilerschaltung eingestellt werden.
Der Rechtecksspannungsausgang 71 legt eine Spannung an eine den Kondensator 31 und den Arbeitspunktwiderstand 41 umfassende Reihenschaltung, die ein RC-Glied bildet, an. Die dabei an dem Wandlereingang 61 auftretende Spannungskomponente wird in der Dreiecksspannung 101 gezeigt. An dem Wandlereingang 61 überlagern sich daher die abgegriffene Spannung aus dem Spannungsteiler, der aus dem Temperaturwiderstand 51 und dem Arbeitspunktwiderstand 41 gebildet ist, und die Dreiecksspannung 101.
Der Wandlereingang 61 ist in dem Mikrocontroller 1 mit einem 8-bit Wandler verbunden, dessen Zählwerte zu bestimmten Zeitpunkten von einer nachfolgenden hier nicht gezeigten Verarbeitungseinrichtung ausgelesen werden. Die von der Verarbeitungseinrichtung ausgelesenen Zählwerte werden anschließend in einem Speicher, der hier ebenfalls nicht gezeigt ist, abgelegt. Nach Durchlaufen eines Rechteckimpulses und damit einer vorbestimmten Anzahl an Zählwerten liest die Verarbeitungseinrichtung in dem Mikrocontroller 1 die Zählwerte aus dem Speicher aus und bildet den Durchschnitt der ausgelesenen Zählwerte. Dieser Durchschnitt der ausgelesenen Zählwerte wird als eine Folge von Bits an dem AD-Wandler-Ausgang 81 einer nachfolgenden Schaltungseinrichtung zur Verfügung gestellt. Die nachfolgende Schaltungseinrichtung ist in 1 nicht gezeigt. Das der nachfolgenden Schaltungseinrichtung an dem AD-Wandler-Ausgang 81 zur Verfügung gestellte binär codierte Signal setzt sich aus 13 Bits zusammen. Es ist also von einer höheren Auflösung und damit einer größeren Anzahl an Bits gekennzeichnet als das Ausgangssignal des 8-bit Wandlers.
2 erläutert einen Verlauf einer Spannung an dem Wandlereingang 61 und eines Ausgangssignals des 8-bit Wandlers. Auf einer x-Achse ist in 2 die Zeit angetragen, während auf einer y-Achse ein Spannungspegel des Dreieckssignals 101 bzw. ein Zählwert des Wandlers dargestellt ist. Eine Kurve 111 erläutert einen Verlauf der Dreiecksspannung an dem Wandlereingang, die sich aus der Addition der an dem Spannungsteiler 41,51 abgegriffenen Spannung und der Dreiecksspannung 101 ergibt. Eine Kurve 121 zeigt einen Signalverlauf an dem Ausgang des 8-bit Wandlers. In der Kurve 111 sind einige Werte besonders hervorgehoben nämlich ein erstes Minimum 163 zum Zeitpunkt t0, ein Maximum 166 zum Zeitpunkt t2 und ein zweites Minimum 168 zum Zeitpunkt t3. In der Darstellung des Ausgangssignals des 8-bit Wandlers sind ein erster Zählwert 131, ein zweiter Zählwert 136, ein Zählwert 141 vor der Flanke, ein Zählwert 151 nach einer Flanke und ein letzter Zählwert 161 durch Bezugszeichen markiert. Außerdem ist ein Schwellwert 171 des 8-bit Wandlers dargestellt.
Die Spannungsteilerschaltung aus dem temperaturabhängigen Widerstand 51 und dem Arbeitspunktwiderstand 41 liefert in diesem Fall eine konstante Gleichspannung von 0,2 Einheiten wie beispielsweise 0,2 Volt. Zum Zeitpunkt t0 nimmt daher der Verlauf des sich zeitlich ändernden Signals 111 ein Minimum 163 mit einem Pegel 0,2 Einheiten ein. Die an dem Wandlereingang 61 anliegende Spannung von 0,2 Einheiten wird von dem 8-bit Wandler detektiert und der erste Zählwert 131 von dem 8-bit Wandler bestimmt. Der nun folgende zweite detektierte Zählwert 136 liegt ebenfalls unterhalb des Schwellwerts 171 des 8-bit Wandlers und wird damit ebenfalls als 0 detektiert. Der 10. Zählwert 141 ist der letzte Zählwert des abgetasteten Signals 111, der gerade noch unterhalb dem Schwellwert 171 des 8-bit Wandlers liegt und wird daher noch als 0 erkannt.
Bei dem 11. Zählwert 151 ist der Pegel des sich zeitlich ändernden Signals 111 bereits oberhalb des Schwellwerts 171 des 8-bit Wandlers, weshalb der 8-bit Wandler zu diesem Zeitpunkt einen Zählwert 1 bestimmt. Die darauf folgenden Zählwerte, von dem 11. Zählwert bis zu dem 32. Zählwert 161 liegen alle oberhalb des Schwellwerts 171 des 8-bit Wandlers und werden daher von dem 8-bit Wandler als 1 detektiert.
Nach Erreichen des Maximums 166 fällt der Verlauf des sich zeitlich ändernden Signals 111 in der Phase zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem Zeitpunkt t3 wieder auf das Minimum 168 der Dreiecksspannung zurück, welches bei 0,2 Einheiten liegt.
Eine dem 8-bit Wandler nachgelagerte Verarbeitungseinrichtung liest alle 32 Zählwerte aus und speichert diese in einem Pufferspeicher, der hier nicht gezeigt ist. Nach Durchlaufen einer halben Periode der Dreiecksspannung, also nach dem Zeitpunkt t2, liest die Verarbeitungseinrichtung die gespeicherten Zählwerte aus dem Puffer wieder aus, und bestimmt, wie häufig diese den Wert bzw. Zählerstand 0 bzw. den Wert 1 eingenommen haben. Anhand der Zählwerte, die den Zählerstand 1 einnehmen, wird nun ermittelt, wie hoch der Gleichanteil des sich zeitlich ändernden Signals 111 ist. Der Gleichanteil basiert ja gerade auf der an dem Spannungsteiler 41, 51 abgegriffenen Spannung.
In dem in 2 erläuterten Szenario weisen 22 Zählwerte den Wert 1 auf, was bedeutet, dass der Gleichanteil des sich zeitlich ändernden Signals 111 6/32 beträgt. Hierbei ist zu beachten, dass das Dreiecksspannungssignal 101 so ausgelegt ist, dass sein originärer Gleichanteil 0,5 Einheiten beträgt. Das Signal 111 würde sich also, wenn es keine Anteile aus dem Temperaturwiderstand 51 und dem Arbeitspunktwiderstand 41 gebildeten Spannungsteiler hätte, als ein um den Wert 0,5 Einheiten alternierendes Signal darstellen. Sein Minimum würde ohne zusätzlichen Spannungsanteil aus dem Spannungsteiler 41, 51 bei 0 Einheiten und sein Maximum bei 1 Einheit liegen.
Die Verarbeitungseinrichtung in dem Mikrocontroller 1 erkennt, dass der 8-bit Wandler den unteren Zählwert 0 liefert. Dies entspricht im Falle des hier generierten 13-bit Analog-Digital-Wandlers den obersten 8 Bits. Das von dem 13-bit Analog-Digital-Wandler gelieferte Wort beginnt dabei mit dem MSB bzw. dem Most Significant Bit bzw. bedeutendsten Bit. Die folgenden 5 Bit werden durch das in 2 erläuterte Verfahren bestimmt. Sie weisen hier die Belegung 00110 auf, was dem Wert 6 entspricht, der aus dem in 2 gezeigten Mittelungsverfahren bestimmt worden ist. Somit ist das aus 13 Bit bestehende Wort am AD-Wandler-Ausgang 81 durch die Bitfolge 0000000000110 gekennzeichnet.
Das an dem AD-Wandler-Ausgang 81 anliegende Signal weist damit eine um 5 Bit höhere Auflösung auf, als die Auflösung des in dem Mikrocontroller 1 integrierten 8-bit Wandlers. Somit führt dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dazu, dass an dem AD-Wandler-Ausgang eine um 5 Bit höhere Auflösung vorliegt bei gleicher Anzahl der aktiven Bauelemente oder von Modulen in dem Mikrocontroller 1.
Damit lässt sich beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, das die in 1 gezeigte Anordnung mit einer Dreiecksspannung und 32 Zählwerten wie in 2 einsetzt, die Abgastemperatur bestimmen. Der 8-bit Wandler auf dem Mikrocontroller 1 hätte in einem Arbeitsbereich von 0 bis 256°C eine Auflösung von 1°C. Durch das in 1 und in 2 erläuterte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung lässt sich die Auflösung verbessern, so dass der Analog-Digital-Wandler bereits einen Unterschied von 0,03° C darstellen kann, wodurch sich die Abgastemperatur wesentlich genauer ermitteln lässt. Diese genauere Ermittlung der Abgastemperatur führt auch zu einer präziseren Steuerung des Kraftfahrzeugmotors und damit zu einem geringerem Schadstoffausstoß.
3 erläutert in einem Vergleich, wie das in 2 beschriebene Verfahren eine Auflösung eines Analog-Digital-Wandlers erhöht. Auf einer X-Achse ist die an dem Spannungsteiler abgegriffene Spannung dargestellt, während eine y-Achse einen Zählwert des Analog-Digital-Wandlers darstellt.
Eine Kurve 181 veranschaulicht einen Verlauf einer Übertragungsfunktion des 8-bit Analog-Digital-Wandlers, der das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nicht einsetzt. Eine Kurve 191 zeigt eine Übertragungsfunktion eines Analog-Digital-Wandlers, der das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nutzt, während ein Graph 201 ein Verhalten eines idealen Analog-Digital-Wandlers erläutert.
Der Verlauf 181 des Wandlers zeigt eine erste Flanke 211, bei der der Zählwert von 0 auf 1 wechselt und eine zweite Flanke 221, bei der der Zählwert von 1 auf 2 wechselt. Der erste Zählwert 211 tritt ein, wenn die Spannung den Wert einer Einheit erreicht, und der zweite Zählwertwechsel tritt ein wenn die Spannung den Wert von zwei Einheiten erreicht. Somit kann ein Analog-Digital-Wandler der das in 1 und 2 gezeigte Verfahren nicht einsetzt, eine Spannung nur in einem Raster von einer Einheit abtasten.
Die Kurve 191 zeigt den Verlauf, der in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläuterten Analog-Digital-Wandler-Anordnung. Hierbei ist zu erkennen, dass der Analog-Digital-Wandler, der nach diesem Prinzip funktioniert, nicht nur einen Spannungswechsel von einer Einheit erkennen kann, sondern seine Zählwerte schon bei deutlich geringeren Spannungswertwechseln ändert. Somit kommt seine Übertragungsfunktion 191 dem Verlauf der idealen Übertragungsfunktion 201 erheblich näher. Eine Messanordung, die diesen Analog-Digital-Wandler einsetzt, weist damit eine erheblich höhere Auflösung auf.
Anhand von 3 wird deutlich, dass wenn eine Mittelung durchgeführt wird und zusätzlich zu einer Spannung am Eingang des Wandlers bzw. am ADC-Input eine kleine AC-Spannung in Form einer Dreieck-Spannung addiert wird, wie in 2 gezeigt ist, so ist dann die Übertragungsfunktion an dem daraus resultierenden Analog-Digital-Wandler einer idealen Übertragungsfunktion des Wandlers schon sehr nahe.
3 erläutert ja die Übertragungsfunktionen eines Analog-Digital-Wandlers als Funktion der Eingangsspannung. Grundsätzlich ist zu sagen, dass eine Mittelung über eine Anzahl an Analog-Digital-Wandler-Zählwerten bzw. ADC-Counts auch über viele Messungen wie beispielsweise 1024 Messungen das Ergebnis nicht ändert, sondern der Zählwert bzw. ADC-Count immer noch diskontinuierlich in Stufen ansteigt.
Obige Ausführungsbeispiele haben in 2 und in 3 deshalb erläutert, dass eine Voraussetzung dafür ist, dass das Intervall, in dem die Zählwerte liegen, über die gemittelt wird, bzw. das Averaging Intervall einer ganzen Zahl von Perioden des Dreieck-Signals entspricht, und dass die Amplitude der Dreiecksspannung gerade n·ΔADC beträgt, wobei ΔADC die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers bzw. ADCs ist, dessen Ausgangswert am Ausgang 81 abgegriffen wird, und n = 1, 2, 3 .... Falls n nicht ganzzahlig wäre, so erhält man eine ideale aber immer noch monotone Übertragungsfunktion.
Obige Ausführungsbeispiele haben in den 1 – 3 erläutert, dass mit wenigen Bauteilen ein Temperaturregler mit PID-Charakteristik verwirklicht werden kann. Die Regelgenauigkeit ist theoretisch von der Linearität der Übertragungskennlinie, wie in 3 gezeigt ist, unabhängig und nur durch Störsignale begrenzt. Die erreichte Regelgenauigkeit kann dabei im mK-Bereich liegen, was die Analog-Digital-Wandler-Auflösung bzw. ADC-Auflösung damit praktisch um einen Faktor von circa 100 erhöht.
In 1 wird ein an dem Eingang 61 zu messendes Signal durch eine Spannungsteilerschaltung erzeugt, denkbar sind aber beliebige Möglichkeiten ein Messsignal zu erzeugen und abzutasten. Auch die Überlagerung mit einer Dreiecksspannung an dem Wandlereingang 61 kann alternativ mit einer Spannung beliebigen Verlaufs durchgeführt werden, solange der Verlauf dieser Überlagerungsspannung der Verarbeitungseinrichtung in den Mikrocontroller 1 bekannt ist, und diese den Verlauf bei der Ermittlung des Zählwerts berücksichtigt.
Auch sind andere Formen von Überlagerungen möglich, wie beispielsweise eine Multiplikation des Messsignals mit der Dreiecksspannung, wobei diese alternativen Überlagerungsformen jedoch von der Verarbeitungseinrichtung zu berücksichtigen sind.
An dem Rechtecksspannungsausgang 71 können außerdem Signale in alternativen Formen, anliegen, wie bespielsweise eine sinusförmiges oder sägezahnförmiges Signal, was von der Verarbeitungseinrichtung in den Mikrocontroller 1 bei der Berechnung des gemittelten Zählwerts dann entsprechend zu berücksichtigen ist.
Auch können die in 1 gezeigten Schaltungselemente anstatt auf einem Mikrocontroller 1 integriert auch als diskrete Bauelemente vorgesehen sein, beispielsweise durch einen Rechtecksspannungsgenerator, einen Analog-Digital-Wandler und einer anschließenden programmierbaren Rechnereinheit, die beispielsweise auch auf einem PC integriert sein kann.
Die Verarbeitungseinrichtung könnte auch als ein Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger ausgeführt sein, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft oder als ein Computer-Programm mit Programmcode, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
In 2 nehmen alle dargestellten Zählwerte einen Zählerstand zwischen 0 und 1 ein. Alternativen sind jedoch beliebige Zählwerte in dem Arbeitsbereich des Wandlers, die direkt aneinander angrenzend sind.
Alternativ zu dem Ablauf in 2, bei dem die Zählwerte über eine halbe Periode des Signals 101 gemittelt werden, kann auch über mehrere Perioden oder Teile einer Periode des Signals 101 gemittelt werden, um gegebenenfalls sogar Instabilitäten durch kurzzeitige Spikes herauszufiltern.

1: Mikrocontroller
11: Versorgungsspannungsanschluss
21: Masseanschluss
31: Kondensator
41: Arbeitspunktwiderstand
51: Temperaturwiderstand
61: Wandler-Eingang
71: Rechtecksspannungsausgang
81: AD-Wandler-Ausgang
91: Rechteckssignal
101: Dreiecksspannung
111: zeitlich änderndes Signal
121: Wandler-Ausgangskurve
131: erster Zählwert
136: zweiter Zählwert
141: Zählwert vor Flanke
151: Zählwert nach Flanke
161: letzter Zählwert
163: erstes Minimum der Dreiecksspannung
166: Maximum der Dreiecksspannung
168: zweites Minimum der Dreiecksspannung
171: Schwellwert des Wandlers
181: Übertragungsverlauf des Wandlers
191: Übertragungsverlauf des AD-Wandlers
201: idealer Übertragungsverlauf
211: erste Flanke
221: zweite Flanke

Claims

Analog-Digital-Wandler mit einem Eingang (61)zum Empfangen eines analogen Messsignals; einer Einrichtung (31, 71) zum Erzeugen eines sich zeitlich ändernden analogen Signals (101); einer Einrichtung zum Überlagern des Messignals und des sich zeitlich ändernden Signals (101) um ein analoges Überlagerungssignal (111) zu erzeugen; einer Wandler-Einrichtung, die über ein vorbestimmtes Zeitintervall basierend auf dem Überlagerungssignal eine Mehrzahl von Zählwerten (131, 136, 141, 151, 161) erzeugt; und einer Verarbeitungseinrichtung die basierend auf den erzeugten Zählwerten (131, 136, 141, 151, 161) einen gemittelten Zählwert erzeugt und ausgibt.
Analog-Digital-Wandler gemäß Anspruch 1, bei dem die Überlagerungseinrichtung einen Addierer umfasst, der ausgebildet ist, das sich zeitlich ändernde Signal (101) und das Messsignal zu addieren.
Analog-Digital-Wandler gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das sich zeitlich ändernde Signal (101) ein periodisch wiederkehrendes Signal umfasst.
Analog-Digital-Wandler gemäß Anspruch 3, bei dem das vorbestimmte Zeitintervall auf der Periode des sich zeitlich ändernden Signals basiert.
Analog-Digital-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das sich zeitlich ändernde analoge Signal (101) eine Dreiecksspannung ist.
Analog-Digital-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen von Zählwerten eine n-fache Auflösung des Analog-Digital-Wandlers hat, wobei n die Mehrzahl der Zählwerte (131, 136, 141, 151, 161) ist, die bei dem vorbestimmten Zeitintervall erzeugt wird.
Analog-Digital-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Eingang (61) zum Empfangen eines analogen Messsignals, die Einrichtung (31, 71) zum Erzeugen des sich zeitlich ändernden Signals (101), die Einrichtung zum Überlagern des Messsignals mit dem sich zeitlich ändernden Signal, die Wandlereinrichtung und die Verarbeitungseinrichtung auf einem Chip (1) integriert sind.
Analog-Digital-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers größer ist, als die Auflösung der Wandler-Einrichtung.
Mikrocontroller (1) mit einem Analog-Digital-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zum Wandeln eines analogen Messsignals in einen gemittelten Zählwert von höherer Auflösung, das folgende Schritte umfasst: Überlagern des Messsignals mit einem sich zeitlich ändernden Signal (101), um ein analoges Überlagerungssignal (111) zu erzeugen; Erzeugen einer Mehrzahl von Zählwerten (131, 136, 141, 151, 161) über ein vorbestimmtes Zeitintervall basierend auf dem Überlagerungssignal (111); und Bestimmen und Ausgeben eines aus den erzeugten Zählwerten (131, 136, 141, 151, 161) gemittelten Zählwerts.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das sich zeitlich ändernde Signal (101) ein periodisch wiederkehrendes Signal umfasst, und die Mehrzahl von über ein vorbestimmtes Zeitintervall erzeugten Zählwerten (131, 136, 141, 151, 161) einen ersten und einen zweiten Zählerstand einnimmt.