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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 Wandlungsgeschwindigkeit 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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Die Druckschrift
DE 37 90 072 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Schaltung zur Verstärkungssteuerung eines analogen Signals. Dabei ist einem Analog-Digital-Wandler ein digital gesteuerter Verstärker vorgeschaltet sowie eine Mikroprozessorvorrichtung nachgeschaltet welche dazu in der Lage ist Amplitudenwerte des von dem Analog-Digital-Wandler erzeugten Signals zu bestimmen.
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Die Druckschrift
US 6,720,903 B2 beschreibt eine Methode zum Betrieb eines Analog-Digital-Wandlers und eine zugehörige Schaltungsanordnung. Dem Wandler ist ein Abschwächer vorgeschaltet, welcher mit Schaltern steuerbar ist. Dabei werden die Schalter unter Verwendung eines festen Verstärkungscodes fest eingestellt.
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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 unabhängigen Patentansprüche 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 Eingangssignal 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:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 6 eine Ausführungsform aus einem Teilbereich der Steuerschaltung,
- 7 ein Zeitsignaldiagramm für verschiedene Signale während eines Einstellvorgangs,
- 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 nacheinander 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 Einstellvorgangs. 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 C bis E sind verschiedene Kontroll- 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 durchschnittlichen 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 abgeschwächte 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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Bezugszeichenliste
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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
