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Die
Erfindung betrifft eine einstellbare Analog-Digital-Wandleranordnung
sowie ein Verfahren zur Wandlung eines analogen Eingangssignals
in ein digitales Signal.
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Zur
Umwandlung analoger Eingangssignale in digitale Werte werden Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler)
in integrierten Schaltkreisen eingesetzt. Die getaktet betriebenen
Wandler tasten das Eingangssignal zu verschiedenen Zeitpunkten ab und
erzeugen daraus digitale Werte. Bei Eingangssignalen mit hohen Pegeln
im Bereich von mehreren zehn Volt sollten diese Wandler in speziellen
Fertigungstechniken, beispielsweise in einem Vielschicht-Oxid-CMOS-Prozess
hergestellt werden. Derart hergestellte Analog-Digital-Wandler sind
im Gegensatz zu Wandlern in herkömmlicher
Herstellungstechnik auch für
Signale mit außergewöhnlich hohen
Eingangspegeln geeignet. Herkömmliche Wandler
könnten
bei hohen Eingangssignalpegeln übersteuern
und so falsche Werte liefern oder sogar beschädigt werden. Ein Nachteil der
Wandler besteht jedoch darin, dass die hohe Spannungsfestigkeit
nur auf Kosten des Platzverbrauchs und der Wandlungsgeschwindigkeit
erreicht wird.
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Eine
Alternative zu den spannungsfesten Analog-Digital-Wandlern besteht
darin, das Eingangssignal um einen definierten Faktor abzuschwächen und
das abgeschwächte
Signal einer herkömmlichen
Analog-Digital-Wandleranordnung zuzuführen. Der darin enthaltenen
A/D-Wandler lässt
sich dann weiterhin in einer CMOS-Technologie fertigen und weist
einen geringen Platzverbrauch bei gleichzeitig hoher Wandlungsgeschwindig keit
auf. Die Abschwächung
des Eingangssignals mit einem konstanten Faktor kann aber bei Eingangssignalen
mit kleinen Pegeln zu Problemen führen. Diese werden nochmals
abgeschwächt,
so dass sich ein Fehler während
der Analog-Digital-Wandlung aufgrund inhärenten Rauschens innerhalb
des Wandlers verstärkt.
Unter Umständen
kann die Abschwächung dazu
führen,
dass der Pegel des zugeführten
abgeschwächten
Eingangssignals kleiner als eine Quantisierungsstufe des A/D-Wandler
wird. Mit anderen Worten wird durch die konstante Abschwächung das Auflösevermögen des
Wandlers gerade bei kleinen Eingangssignalen begrenzt.
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Die
Druckschrift
US 5,861,831 und
8 zeigen
eine Wandleranordnung mit einer aktiven Schaltung zur Abschwächung eines
Eingangssignals. Die in der
8 dargestellte
Anordnung einer aktiven Schaltung ist durch einen einstellbaren
Verstärker
V realisiert. Dieser ist dem Eingang des Wandlers ADC über ein
Filter vorgeschaltet. Der Verstärkungsfaktor
wird dabei durch einen Peak-Detektor PD eingestellt, dem das vom
Verstärker
abgegebene Signal zugeführt
wird. Weiterhin ist eine Zeitschaltung vorgesehen, die sowohl den
eigentlichen A/D-Wandler ADC als auch den Peak-Detektor PD ansteuert.
Das vom Verstärker
V abgegebene Signal wird über
einen Filter dem A/D-Wandler ADC zugeführt. Durch die Bandbreite des
Peak-Detektors PD wird
die Detektion von Signaländerungen
im Eingangssignal begrenzt. Der dargestellte Wandler eignet sich
vor allem zur Umsetzung von Zwischenfrequenzsignalen. Darüber hinaus
wird durch den zusätzlichen
Peak-Detektor
61 der Stromverbrauch der gesamten Anordnung
erhöht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Analog-Digital-Wandleranordnung anzugeben, die einen
hohen Eingangssignalbereich bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch
aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren
zur Analog-Digital-Wandlung anzugeben, welches mit einfachen Mitteln
Signale mit einem hohen Pegelbereich in digitale Werte wandelt.
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Diese
Aufgaben werden mit den Gegenständen
der Patentansprüche
1 und 14 gelöst.
Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Prinzip
ist vorgesehen, den Analog-Digital-Wandler selbst als Messeinrichtung
für die
Detektion des Eingangssignalbereichs bzw. der maximal im Eingangssignal
vorkommenden Pegel zu verwenden. Dadurch ist die Bandbreite für die Detektion
von Signaländerungen nur
noch vom eingesetzten A/D-Wandler begrenzt, der auch das Eingangssignal
selbst verarbeitet. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst
die Anordnung einen Analog-Digital-Wandler mit einem Eingang zur
Zuführung
eines analogen Eingangssignals sowie einen Ausgang zur Abgabe eines
digitalen Ausgangssignals. Daran angeschlossen ist eine Auswerteschaltung,
die das vom Wandler abgegebene Ausgangssignal auswertet und davon
abhängig
ein Steuersignal an einem dem Wandler vorgeschalteten steuerbaren
Abschwächer
abgibt.
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Mit
Hilfe der Auswerteschaltung lassen sich zum einen ein "Überlaufen" des Analog-Digital-Wandlers und zum
anderen ein aufgrund einer vorhandenen Abschwächung zu kleiner Signalpegel im
Eingangssignal ermitteln. Durch die Auswertung des Ausgangssignals
des Analog-Digital-Wandlers kann rechtzeitig eine Übersteuerung
des Analog-Digital-Wandlers wegen zu geringer Abschwächung erkannt
werden. Ebenso lässt
sich das Abschwächverhalten
des Abschwächers
verringern, wenn der durchschnittliche Eingangspegel des dem Analog-Digital-Wandlers zugeführten Signals
gering ist. Auf diese Weise kann der Analog-Digital-Wandler immer im
Bereich seiner größten Auflösung und
damit größten Empfindlichkeit
betrieben werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Analog-Digital-Wandler einen
Ausgang zur Abgabe eines Signals, welches direkt eine Übersteuerung des
Analog-Digital-Wandlers anzeigt. Dieser Ausgang ist in einer Ausgestaltung
der Erfindung mit der Steuereinrichtung für die Abgabe des Steuersignals an
den Abschwächer
gekoppelt. Dadurch kann bei einer Übersteuerung des Analog-Digital-Wandlers
das Abschwächeverhalten
des Abschwächers
schnell geändert
werden, ohne dass es zu Beschädigungen kommen
kann. Der Abschwächer
kann unterschiedlich ausgestaltet sein. In einer Ausführungsform
ist er als widerstandsbasierter Abschwächer ausgebildet und umfasst
mehrere in Reihe schaltbare Widerstandsglieder. Durch die selektive
Veränderung
des Widerstandswertes wird der Signalpegel am Ausgang des Abschwächers geändert und
so dynamisch an den optimalen Eingangssignalbereich des Analog-Digital-Wandlers angepasst.
Die Werte der Widerstandsglieder können gleich oder auch binär gewichtet
sein.
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In
einer anderen Ausgestaltungsform umfasst der Abschwächer mehrere
schaltbare Kondensatoren oder Ladungsspeicher, welche die Eingangsspannung
im Verhältnis
ihrer Kapazitätswerte
teilen. Auch hier können
die Kapazitätswerte
gleich oder verschieden, insbesondere binär gewichtet sein. Unter binärer Gewichtung
wird ein Unterschied um den Faktor 2 verstanden. Diese Ausgestaltungsform
eignet sich im Besonderen für
Hochspannungsanwendungen, bei denen der Eingangssignalpegel besonders
hohe Spannungswerte im Bereich von einigen zehn Volt annehmen kann.
Ebenso ist es möglich,
als Abschwächer
einen steuerbaren Verstärker
vorzusehen. Dadurch kann das Eingangs signal in seinem Pegel sowohl
abgeschwächt
als auch verstärkt
werden. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich eine Wandleranordnung
mit einem sehr hohen dynamischen Pegelbereich für das Eingangssignal realisieren.
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Die
Auswerteschaltung erlaubt es sowohl, eine Änderung der Abschwächung automatisch durchzuführen, beispielsweise
durch Detektion eines Übersteuerungssignals,
als auch eine Änderung
manuell anzuregen. Dabei wird in einer Ausgestaltungsform der Erfindung
das Eingangssignal über
eine Zeit hinweg vom Analog-Digital-Wandler abgetastet und der maximale
Wert ermittelt. Mit Hilfe dieses Wertes lässt sich nun der Abschwächer so
einstellen, dass der Analog-Digital-Wandler optimal ausgesteuert wird.
Beispielsweise kann der abgetastete Maximalwert mit dem maximalen
Verarbeitungswert des Analog-Digital-Wandlers verglichen werden. Die Differenz
wird verwendet, das Steuersignal für den Abschwächungsfaktor
des Abschwächers
zu erzeugen.
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Während dieses
Vorganges ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass
die Steuerschaltung ein entsprechendes Signal zur Anzeige der Einstellroutine
abgibt. So wird anderen Schaltungen mitgeteilt, die von der Wandleranordnung
abgegebenen Werte wegen möglicher
fehlerbehafteter Analog-Digital-Umsetzung
nicht weiter zu verarbeiten.
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Im
Weiteren wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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5 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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6 eine
Ausführungsform
aus einem Teilbereich der Steuerschaltung,
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7 ein
Zeitsignaldiagramm für
verschiedene Signale während
eines Einstellvorgangs,
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8 eine
bekannte Ausführung
einer Analog-Digital-Wandleranordnung.
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1 zeigt
das Grundprinzip der erfindungsgemäßen A/D-Wandleranordnung mit einer automatischen
Einstellung für
den Pegelbereich des Eingangssignals zur optimalen Aussteuerung
des Wandlers. Die Wandleranordnung umfasst einen Signaleingang 22,
dem ein analoges Eingangsspannungssignal zuführbar ist. Mit dem Signaleingang 22 ist
ein in seinem Abschwächungsfaktor
einstellbarer Abschwächer 2 gekoppelt.
Er enthält
einen Steuereingang 24 zur Zuführung eines Steuersignals,
mit dem der Abschwächungsfaktor
eingestellt wird. An seinem Ausgang 23 gibt der Abschwächer 2 ein
um den entsprechenden Faktor abgeschwächtes, vom Eingangssignal abgeleitetes
Ausgangssignal ab. Der Ausgang 23 ist mit einem Eingang 11 eines
Analog-Digital-Wandlers 1 (A/D-Wandler) verbunden. Der
A/D-Wandler 1 kann beispielsweise als ein Wandler ausgebildet
sein, der mit sukzessiver Approximation arbeitet. Vorliegend ist
er als getaktet betriebener Wandler ausgeführt. Er tastet den Pegel des Eingangssignal
in mehreren nacheinan der angeordneten Stufen ab und ermittelt aus
den Ergebnissen der einzelnen stufen einen digitalen, dem analogen Eingangssignal
entsprechenden Wert. Dazu umfasst er ein digitales Interface 13,
welches mit einer Steuerschaltung 4 gekoppelt ist. Über dieses
Interface erhält
er unter anderem das Taktsignal CLK für den Abtastvorgang. Ein weiterer
Eingang 14 dient zur Zuführung einer Referenzspannung
Vref.
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Während des
Betriebs gibt der A/D-Wandler 1 das an seinem Eingang anliegende
und in einen digitalen Wert umgesetzte Analogsignal am digitalen Interface 13 an
die Steuereinrichtung 4 ab. Wenn nun der Pegel eines Eingangssignals
am Eingang 11 einen gewissen Schwellwert überschreitet,
wird der A/D-Wandler 1 übersteuert.
Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Pegel des Eingangssignals den
maximalen Verarbeitungspegel des Wandlers übersteigt. Es kommt zu einer
fehlerbehafteten Wandlung und einer Ausgabe eines falschen Wertes.
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Zur
Anzeige einer derartigen Übersteuerung enthält der Analog-Digital-Wandler 1 einen Übersteuerausgang 12,
an dem ein die Übersteuerung
anzeigendes Signal bereitgestellt wird. Der Ausgang 12 ist mit
einem Eingang 31 einer automatischen Steuereinheit 3 verbunden.
Die Steuereinheit 3 ist über ein weiteres Interface
mit einem Interface 41 der Kontrollschaltung 4 gekoppelt.
Der Ausgang der Steuerschaltung 3 ist an den Steuereingang 24 des
Abschwächers 2 angeschlossen.
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Für eine Aktivierung
des Betriebsmodus, in der die erfindungsgemäße Wandleranordnung die Einstellung
des Abschwächers 2 vornimmt,
gibt es mehrere Möglichkeiten.
Einerseits kann dies direkt über
den A/D-Wandler erfolgen, der bei einer Übersteuerung ein Signal am
Ausgang 12 an die Steuerschaltung 3 abgibt. Die
Steuerschaltung 3 verändert automatisch
den Abschwächfaktor
um einen vordefinierten Wert, um eine weitere Übersteuerung oder Beschädigung des
Wandlers zu vermeiden. Zum anderen kann dies auch manuell über das
Signal "Auto Range" am Interface der
Kontrollschaltung 4 angestoßen werden. Dies ist insbesondere
dann sinnvoll, wenn beispielsweise absehbar ist, dass sich der Pegelbereich
des Signals am Eingang 22 des Wandlers stark verändern wird.
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Eine
dritte Möglichkeit
besteht darin, die vom A/D-Wandler 1 abgegebenen digitalen
Werte auszuwerten. Sind diese besonders klein, so kann die Empfindlichkeit
des A/D-Wandlers durch eine entsprechende Reduzierung des Abschwächefaktors
im Abschwächer 2 gesteigert
werden. Die Genauigkeit der Wandlung wird wieder erhöht, da das
Eingangssignal nun wieder den gesamten Verarbeitungsbereich des
Wandlers ausnutzt. Die Einstellung der Abschwächung am Abschwächer 2 übernimmt
die Steuerschaltung 3.
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6 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform der
Steuerschaltung. Wirkungs- beziehungsweise funktionsgleiche Bauelemente
tragen die gleichen Bezugszeichen. Die Steuerschaltung 3 umfasst
wiederum mehrere als integrierte Schaltungen ausgeführte Teilelemente.
Eine erste Logikeinheit 301 verarbeitet das vom A/D-Wandler 1 zugeführte Übersteuersignal
und wertet dies geeignet aus. Beispielsweise kann es zweckmäßig sein,
nicht bei einer einzigen angezeigten Übersteuerung eine neue Einstellung
des Abschwächers
vorzunehmen, sondern nur bei einer Übersteuerung über einen
bestimmten längeren
Zeitraum. Diese Auswertung wird von der Logikeinheit 301 übernommen.
In gleicher Weise verarbeitet das Logikelement 302 alle
von der Kontrollschaltung kommenden Informationen am Interface 34.
Dazu gehört
unter anderem die manuelle Aktivierung eines Einstell vorgangs. Zudem übermittelt
das Logikelement 302 nach einer erfolgten Neueinstellung
der Kontrollschaltung 4 den neuen Abschwächungsfaktor.
Die Kontrollschaltung kann diese dann bei der Neuberechnung der
digitalen Werte berücksichtigen.
Darüber
hinaus gibt das Kontrollelement 302 auch das Übersteuersignal "Overload" sowie ein "Busy-Signal" an die Kontrollschaltung 4 ab.
Letzteres zeigt an, dass ein Einstellvorgang vorgenommen wird. Die
Kontrollschaltung 4 ist durch das "Busy-Signal" der Steuerschaltung 3 in der
Lage, die vom A/D-Wandler 1 kommenden digitalen Werte als
ungültig
zu bewerten.
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Die
Steuerschaltung 3 umfasst weiterhin einen Taktgenerator 306 sowie
weitere Kontrollschaltungen 304 und 305 zur Verarbeitung
des Übersteuersignals
sowie der von der Kontrollschaltung 4 übermittelten Daten. Aus den
unterschiedlichen Informationen erzeugt die Steuerschaltung 3 Steuerinformationen,
die von der Logikeinheit 303 in ein Steuersignal übersetzt
und am Ausgang 32 abgegeben werden. Mit diesem Steuersignal
wird der neue Abschwächungsfaktor
im Abschwächer 2 eingestellt.
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7 zeigt
ein Zeit-/Signal-Diagramm für verschiedene
Signale während
eines Einstellvorgangs des Abschwächers. In diesem Ausführungsbeispiel
wird eine Einstellung nach einer Aktivierung der erfindungsgemäßen Anordnung
durchgeführt. Das
analoge Eingangssignal am Eingang des A/D-Wandlers 1 übersteigt
anfangs den zulässigen Verarbeitungsbereich
des Wandlers, so dass der Wandler 1 ein Übersteuersignal
an seinem Ausgang 12 erzeugt. In Teilfigur A ist das sinusförmige analoge Eingangssignal
dargestellt. Teilfigur B zeigt das Taktsignal CLK zur Abtastung
des analogen Eingangssignals im Wandler. In den Teilfiguren C bis
E sind verschiedene Kon troll- und Steuersignale zu sehen, die der
Kontrollschaltung 4 zugeführt beziehungsweise von dieser
während
des Einstellvorgangs abgegeben werden. Teilfigur F zeigt das Overload-Signal für den Zeitraum,
in dem die Bereichsanpassung der Anordnung noch nicht abgeschlossen
ist. In Teilfigur H ist schließlich
das digitalisierte Ausgangssignal dargestellt.
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Der
Bereich für
die Eingangssignalverarbeitung des A/D-Wandlers 1 ist bis zum Zeitraum
T1 kleiner als die Amplitude des analogen Eingangssignals. Dadurch
wird der Analog-Digital-Wandler
während
dieser Zeit übersteuert
und eine fehlerfreie Wandlung ist nicht gewährleistet. Ab dem Zeitraum, an
dem das analoge Eingangssignal den zulässigen Eingangsbereich des
Wandlers überschreitet,
wird das "Overload-Signal" in Teilfigur F vom
Wandler erzeugt und an die Kontrollschaltung 4 abgegeben. Diese
gibt das Signal an ihren Ausgang weiter, so dass die Übersteuerung
auch anderen Schaltungen angezeigt wird. Eine Abgabe erfolgt bis
zum Zeitpunkt T2, ab dem der Abschwächer mit seinem Faktor so eingestellt
ist, dass der Signalpegel den Verarbeitungsbereich des Wandlers
wieder optimal ausnutzt.
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Zum
Zeitpunkt T1 wird gemäß Teilfigur
G das Auto-Range-Signal zur Aktivierung der Einstellung des Abschwächers erzeugt.
Dies führt
dazu, dass der Abschwächer
nun mit seinem stärksten
Abschwächfaktor
betrieben wird. Umgekehrt bedeutet dies, dass nun aufgrund des abgeschwächten Signalpegels
dieser vollständig
im Eingangssignalbereich des Wandlers liegt. Geht man wie in Teilfigur
A dargestellt zu jedem Zeitpunkt von einem normierten Eingangssignalpegel
aus, bedeutet dies eine Vergrößerung des Eingangssignalbereichs
des Wandlers. Während
des nun folgenden Zeitraums bis zum Zeitpunkt T2 tastet der Wandler
das Eingangssignal ab und ermittelt einen durch schnittlichen Maximalpegel.
Die Differenz zwischen dem maximalen Eingangssignalbereich des Wandlers
und dem durchschnittlichen Maximalpegel ergibt einen Wert, um den
der Abschwächfaktor
des Abschwächers 2 geändert werden
kann. Dadurch wird der Signalpegel am Eingang des Wandlers wieder
vergrößert und
nutzt den vollständigen Eingangssignalbereich
aus. Der Umschaltvorgang auf den optimalen Bereich ist zum Zeitpunkt
T2 abgeschlossen. Dann wird auch die Abgabe des "Overload-Signals" von der Kontrollschaltung 4 beendet. Zu
dem Zeitpunkt T2 können
die vom Analog-Digital-Wandler abgegebenen Daten wieder weiter verarbeitet
werden.
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Neben
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel,
bei dem bei einem entsprechenden Überlaufsignal der Abschwächfaktor
auf seinen maximalen Wert gestellt und anschließend auf den optimalen Wert
geändert
wird, ist es auch möglich,
die Abschwächung
schrittweise zu erhöhen.
Beispielsweise kann eine Einstellung an den jeweils optimalen Abschwächfaktoren
inkrementell beziehungsweise über eine
iterative Annäherung
erfolgen. Darüber
hinaus ist es zweckmäßig, gerade
nach Aktivierung der Wandelanordnung den Abschwächer mit seinem maximalen Abschwächfaktor
zu betreiben und gleichzeitig in den Einstellmodus zu wechseln.
Somit wird die Übersteuerung
oder eine Beschädigung
vermieden. Der Analog-Digital-Wandler gibt nun an seinem Ausgang
digitale Werte ab, aus denen ein maximaler Durchschnittswert einfach
ermittelt werden kann. Dadurch lässt
sich am Beginn einer jeden Messung eine automatische Kalibrierung
des Wandlers zu seinem optimalen Bereich hin durchführen.
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2 zeigt
eine Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandleranordnung für Anwendungen
im Bereich von mehreren 10 V. Wirkungs- beziehungsweise funktionsgleiche Bauelemente
tragen die gleichen Bezugszeichen. Der erfindungsgemäße Wandler
ist in dieser Ausführung mit
unterschiedlichen Prozesstechnologien hergestellt. Der Abschwächer 2a in
Form eines programmierbaren Widerstandsteilers ist als integrierte Schaltung
in einem Vielschicht-Oxyd-CMOS-Prozess realisiert. Dadurch wird
eine hohe Spannungsfestigkeit des Widerstandsteilers auch bei sehr
hohen Eingangsspannungen erzeugt. Durch die Widerstandsteilung wird
am Ausgang 23 ein entsprechend heruntergeteiltes Spannungssignal
abgegeben.
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Der
zweite Bereich des erfindungsgemäßen A/D-Wandlers 1 ist
als integrierte Schaltung in einem Standard-CMOS-Prozess realisiert.
Platz- und Stromverbrauch sind bei gleichzeitig hohem Auflösungsvermögen und
hoher Abtastgeschwindigkeit gering. Zwischen dem Ausgang 32 der
Steuerschaltung 3 und dem entsprechenden Steuereingang
des programmierbaren Widerstandsteilers 2a im Hochspannungsbereich
sind spezielle Pegelshifter vorgesehen. Diese eignen sich dazu,
die in programmierbaren Widerstandsteiler vorgesehenen Schalter
mit hohen Spannungen anzusteuern, wobei die hohen Spannungen aus
dem von der Steuerschaltung 3 abgegebenem Steuersignal
erzeugt werden.
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Bei
der Anordnung ist es zweckmäßig, dass nach
einem Aktivieren des Wandlers der Widerstandsteiler seinen größten Wert
aufweist. In diesem Zusammenhang spricht man davon, dass der Widerstandsteiler
in seinen höchsten
Bereich geschaltet ist. Dadurch wird auch bei hohen Eingangsspannungswerten
ein Übersteuern
und eventuell ein Beschädigen
des Wandlers 1 vermieden. Nach dem Aktivieren wird durch
ein entsprechendes Kontrollsignal am Anschluss "Auto-Range" der Einstellbetriebsmodus in der Kontrollschaltung 4 und
der Steuerschaltung 3 aufgerufen. Der Wandler tastet nun
das an seinem Eingang abge schwächte
anliegende Signal für einen
vorbestimmten Zeitraum ab, übermittelt
die Werte an die Steuerschaltung und die Kontrollschaltung, worauf
diese die für
den optimalen Betrieb notwendige Abschwächung ermitteln. Der widerstandsteiler
wird dann in seinem Teilerverhältnis
neu eingestellt.
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Wenn
zu einem späteren
Zeitpunkt der Signalpegel am Eingang 11 des Wandlers den
Eingangsverarbeitungsbereich überschreitet,
erzeugt der Wandler am Übersteuerausgang 12 ein Übersteuerungssignal,
woraufhin die Einstellroutine erneut aufgerufen wird und die Steuerschaltung 3 den Abschwächfaktor
entsprechend anpasst.
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3 zeigt
eine ähnliche
Ausführungsform, bei
der der Abschwächer 2b als
programmierbarer kapazitätsbasierter
Teiler ausgeführt
ist. Die einzelnen Kondensatoren, von denen zwei C1, C2 schematisch
dargestellt sind, sind auch hier in einem Prozess gefertigt, der
für Hochspannungsanwendungen
geeignet ist. Die Ansteuerung sowie das Hinzu- bzw. Wegschalten
einzelner Kondensatoren erfolgt über das
Steuersignal. Durch die Kondensatoren wird die am Eingang 22 anliegende
analoge Spannung im Verhältnis
der Kondensatorschaltung geteilt.
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4 zeigt
eine weitere Alternative mit einem programmierbaren Verstärker. Mit
Hilfe des programmierbaren Verstärkers
ist es neben einer Abschwächung
des Eingangssignals bei hohen Eingangspegeln auch möglich, Eingangssignale
mit geringen Pegeln entsprechend zu verstärken. Dadurch wird der Pegelbereich
des Eingangssignals am Eingang 22 nochmals vergrößert. Der
in 4 dargestellte Wandler ist geeignet, Eingangssignale
mit sehr hohen Spannungen genauso wie Signale mit sehr geringen
Spannungen zu verarbeiten.
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6 zeigt
eine mögliche
Realisierung der Erfindung basierend auf einem Analog-Digital-Wandler,
der mit sukzessiver Approximation arbeitet. Bei derartigen Wandlern
lässt sich
der Abschwächer
für das
Eingangssignal als Bestandteil der Abtasteinheit des Wandlers ausbilden.
Dadurch wird ein Teil des Wandlers in standardisierter CMOS-Prozesstechnik für niedrige
Spannungen gebildet, die erste Stufe zumindestens teilweise in einem
Prozess für
Hochspannungsanwendungen. Die schaltbare Kapazitäten der ersten Stufe werden
während
der Abtastphase als Teil der Abtast-/Halteschaltung verwendet. Während der
späteren
Haltephase agieren sie als Digital-Analog-Konverter zur Erzeugung des Ausgangssignals.
Spezielle Kondensatoren, so genannte Poly 1/Poly 2-Kondensatoren
verkraften Spannungen bis zu 25 Volt in Abhängigkeit der Oxyd-Dicke zwischen den
einzelnen Kondensatorplatten. Demzufolge reicht es aus, vor allem
die Schalter für
die Abtastphase als hochspannungsfeste Elemente auszulegen.
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Zusätzlich gibt
es zwei Möglichkeiten,
den Abschwächer
in einer ersten Stufe eines derartigen Konverters auszuführen. Zum
einen ist es möglich, ein
eigenes programmierbares Kapazitätsfeld
am Konvergenspunkt der ersten Stufe des Analog-Digital-Wandlers anzufügen. Das
schaltbare Kondensatorfeld in Kombination mit den Kondensatoren
der ersten Stufe arbeitet wie ein programmierbarer Kapazitätsteiler.
Ein Eingangssignal wird entsprechend des gewählten Teilerverhältnisses
abgeschwächt.
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Eine
zweite Möglichkeit
zur Realisierung des Abschwächers
besteht darin, zusätzliche
Kapazitäten
den Kondensatoren der ersten Stufe hinzuzufügen, um das Eingangssignal
abzuschwächen.
Die weiteren Stufen des Analog-Digital-Wandlers sind in herkömmlicher
Weise realisiert.
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Mit
der Erfindung wird eine Analog-Digital-Wandleranordnung realisiert,
bei der der A/D-Wandler 1 gleichzeitig als Messinstrument
für die
Detektion eines durchschnittlichen Maximalpegels verwendet wird.
Dieser wird zur Einstellung eines dem Wandler vorgeschalteten programmierbaren
Abschwächers
verwendet. Durch eine geeignete dynamische Nachregelung sowohl bei
einem Eingangssignal höher
als der Verarbeitungsbereich des Wandlers als auch bei einem Eingangssignal
niedriger als ein unterer Schwellwert kann eine dynamische Nachregulierung
des Abschwächers
vorgenommen werden. Dadurch wird der Analog-Digital-Wandler der
gesamten Einrichtung immer in einem optimalen Aussteuerbereich betrieben.
Gleichzeitig ist eine zusätzliche
Detektion über
einen Peak-Detektor nicht notwendig, wodurch der gesamte Stromverbrauch der
Anordnung verringert ist.
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- 1
- Analog-Digital-Wandler
- 2
- Abschwächer
- 3
- Steuerschaltung
- 4
- Kontrollschaltung
- 11
- Signaleingang
- 12
- Übersteuersignalausgang
- 13
- Signalinterface
- 22
- analoger
Signaleingang
- 23
- Signalausgang
- 24
- Steuereingang
- 31
- Eingang
- 32
- Steuerausgang
- 41
- Interface
- 42
- Interface
- 301,
302, 303
- Logikeinheiten
- 304,
305
- Steuer-,
Kontroll-Einheiten
- 306
- Taktgenerator
- T0,
T1, T2
- Zeitpunkte