DE102006038409B4

DE102006038409B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen eines Analogsignals unter Verwendung einer Auswahlschaltung

Info

Publication number: DE102006038409B4
Application number: DE102006038409A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Barrenscheen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2026-08-18
Also published as: US20080042887A1; US7688241B2; DE102006038409A1

Abstract

Verfahren zum Erfassen eines Analogsignals mittels einer Erfassungseinrichtung (2, 22), die einen analogen Signaleingang aufweist, und einer mit dem Signaleingang der Erfassungseinrichtung (2, 22) gekoppelten Auswahlschaltung (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24), wobei die Auswahlschaltung (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24) in Reihe geschaltet einen Hauptauswahlschalter (5) und einen Vorauswahlschalter (6, 10, 11, 18, 19) umfasst, der Hauptauswahlschalter (5) zwischen den Vorauswahlschalter (6, 10, 11, 18, 19) und die Erfassungseinrichtung (2, 22) geschaltet ist und eine Verzögerungszeit vor der Erfassung eines am Signaleingang der Erfassungseinrichtung (2, 22) anliegenden Analogsignals in Abhängigkeit des Auftretens eines Einstellvorgangs des Vorauswahlschalters (6, 10, 11, 18, 19) eingestellt wird.

Description

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Erfassung eines Analogsignals unter Verwendung einer vorgeschalteten Auswahlschaltung, insbesondere ein Verfahren und ein System zur Analog-Digital-Wandlung bei Verwendung einer Auswahlschaltung zum Auswählen aus einer Menge mehrerer Analogsignale.
Bei der Erfassung von Analogsignalen können bei Verwendung einer Auswahlschaltung mit einer einzigen Erfassungseinrichtung auch mehrere verschiedene Analogsignale erfasst werden. Dazu werden mit der Auswahlschaltung die zu erfassenden Analogsignale ausgewählt und an die Erfassungseinrichtung durchgeschaltet, die diese dann erfasst. Die Signalpfade führen von den Quellen der verschiedenen Analogsignale durch die Auswahlschaltung hindurch bis zur Erfassungseinrichtung. Diese Signalpfade können ein bestimmtes Zeitverhalten aufweisen, so dass sich das Analogsignal von der Quelle bis zur Erfassungseinrichtung nur mit begrenzter Geschwindigkeit ausbreitet. Um die begrenzte Ausbreitungsgeschwindigkeit zu berücksichtigen, kann vor jede Analogsignalerfassung eine Verzögerungszeit eingefügt werden.
Die Signalpfade von verschiedenen Analogsignalquellen können dabei verschieden sein, so dass abhängig vom eingestellten Signalpfad unterschiedliche Verzögerungszeiten eingestellt werden können.
So offenbart die US 5081454 eine Analog/Digital-Wandler-Anordnung mit Multiplexern zur Auswahl eines Kanals aus einer Mehrzahl von Kanälen. In einer Steuertabelle sind kanalspezifische Wandlungsparameter gespeichert, die auch kanalspezifische Verzögerungszeiten umfassen und bei Auswahl eines bestimmten Kanals bei der Wandlung angewendet werden.
Weiterhin ist durch die DE 199 36 329 A1 eine Analog/Digital-Wandler-Anordnung bekannt, bei der die Wandlung von mehreren Anforderungsmitteln ausgelöst werden kann und die Parameter einer Wandlung abhängig von dem diese Wandlung auslösenden Anforderungsmittel einstellbar sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erfassen eines Analogsignals mittels einer Erfassungseinrichtung und einer vorgeschalteten Auswahlschaltung zu schaffen, mit denen vor jedem Erfassungsvorgang eine an den Signalpfad angepasste, möglichst kurze Verzögerungszeit eingestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 6 beziehungsweise 11 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Systems zur Analogsignalerfassung zeigt,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Analogsignalerfassungssystems zeigt,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Analogsignalerfassungssystems zeigt,
4 ein Ausführungsbeispiel für eine Auswahlschaltung zur Verwendung in einem Analogsignalerfassungssystem zeigt, und
5 den zeitlichen Ablauf der Analogsignalerfassung in einem Analogsignalerfassungssystems zeigt.
1 zeigt ein Analogsignalerfassungssystem 1. Das System 1 ist im vorliegenden Beispiel ein Mikrocontroller, der zusätzlich eine programmgesteuerte Datenverarbeitungseinrichtung aufweist. Der Mikrocontroller 1 dient zur Erfassung mehrerer Analogsignale, die über Analogleitungen 7, 9 angelegt werden können. Dabei sind die Analogleitungen 7 direkt mit einem Auswahlschalter 5 innerhalb des Mikrocontrollers 1 verbunden. Der Auswahlschalter 5 kann ein Multiplexer sein und ist dazu eingerichtet, aus einer bestimmten Anzahl von analogen Eingangssignalen eines auszuwählen und an eine dem Auswahlschalter 5 nachgeschaltete Erfassungseinrichtung 2 weiterzuleiten. Die Eingänge des Auswahlschalters 5 sind mit Anschlüssen des Mikrocontrollers 1 verbunden. Von den Eingängen des Multiplexers 5 können alle oder nur ein Teil nach außen geführt sein, d. h. mit Anschlüssen den Mikrocontrollers 1 verbunden sein. Diese Anschlüsse werden üblicherweise I/O-Anschlüsse genannt und können in Abhängigkeit der Variante des Mikrocontrollers 1 in ihrer Anzahl variieren.
Der Mikrocontroller 1 ist mit einem externen Auswahlschalter 6 verbunden, der in diesem Ausführungsbeispiel ein Multiplexer ist und als Erweiterungsmultiplexer dient. Der Ausgang des Multiplexers 6 ist mit einem Eingang 8 des internen Multiplexers 5 des Mikrocontrollers 1 verbunden. Somit sind die Analogsignalleitungen 7 direkt mit dem Mikrocontroller 1 und damit mit dem internen Multiplexer 5 verbunden und die Analogsignalleitungen 9 über den externen Multiplexer 6 mit dem Mikrocontroller 1 verbunden. Der interne Multiplexer 5 bildet zusammen mit dem externen Multiplexer 6 eine Auswahlschaltung, mit der aus den Analogsignalleitungen 7, 9 eine ausgewählt und an den Ausgang des internen Multiplexer 5 durchgeschaltet werden kann.
Der Mikrocontroller 1 weist weiterhin eine Erfassungseinrichtung 2 zur Erfassung eines Analogsignals am Ausgang des internen Multiplexers 5 auf. Die Erfassungseinrichtung 2 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Analog-Digital-Wandler, kurz ADC. Der ADC kann ein beliebiger der bekannten Wandlertypen sein. Die Erfassungseinrichtung 2 ist allgemein so eingerichtet, dass sie ein anliegendes Analogsignal messen kann. Dazu kann die Erfassungseinrichtung 2 ein analoges Speicherelement aufweisen, das das zu einem bestimmten Zeitpunkt anliegende Analogsignal speichert. Das gespeicherte Analogsignal kann über eine bestimmte Zeitdauer konstant gehalten werden, damit der ADC ausreichend Zeit für die Wandlung hat. Daneben kann das zu einem bestimmten Zeitpunkt anliegende Analogsignal auch in ein Speicherelement geladen werden, aus dem die enthaltende Ladung anschließend während der ADC-Wandlung entnommen wird, um die in dem Speicherelement enthaltene Ladung und damit das gespeicherte Analogsignal zu bestimmen. Bei Verwendung eines Flash-Wandlers, der ein anliegendes Analogsignal ohne Notwendigkeit einer Zwischenspeicherung in sehr kurzer Zeit wandeln kann, kann auf ein analoges Speicherelement auch verzichtet werden.
Eine Zwischenspeicherung des von dem internen Multiplexer 5 gelieferten Analogsignals kann mit einem Sample/Hold-Element durchgeführt werden. Das Sample/Hold-Element kann aus einer Kapazität als Speicherelement zusammen mit einem davor geschaltetem Analogschalter gebildet werden. Bei geschlossenem Analogschalter wird die Kapazität mit der Spannung des ausgewählten Analogsignals geladen und folgt dieser. Dieser Vorgang wird auch als Sample-Vorgang bezeichnet. Sobald die Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt gespeichert werden soll, wird der Analogschalter geöffnet, so dass die Kapazität den zuletzt gespeicherten Spannungswert behält. Die Kapazität und der Analogschalter können dabei als zusammengehöriger Block in der Erfassungseinrichtung 2 oder auch im Multiplexer 5 enthalten sein.
Bei dem in 1 dargestellten System weist der Mikrocontroller 1 zusätzlich eine Kanalsteuerung 3 auf, die den internen Multiplexer 5 und die Erfassungseinrichtung 2 steuert.
4 zeigt eine Konfiguration mit einem Sample/Hold-Element, die in allen beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann. Die Konfiguration umfasst eine Kapazität 23 als Analogspeicherelement, die mit einem Ende mit einem festen Spannungspotential, hier Masse/Ground, und mit dem anderen Ende mit der Analogleitung verbunden ist, die dass zu erfassende Analogsignal führt. Diese Analogleitung ist mit mehreren Analogschaltern 24 verbunden, die einen Auswahlschalter bilden. Dazu werden die Analogschalter 24 so angesteuert, dass höchstens einer von ihnen geschlossen ist. Die nicht mit der Kapazität 23 verbundenen Anschlüsse der Schalter 24 bilden die Analogsignaleingänge, aus denen ein Analogsignal ausgewählt werden kann und somit die Eingänge des Auswahlschalters, den die Schalter 24 bilden. Die mit der Kapazität 23 verbundene Analogsignalleitung ist weiterhin mit einer Erfassungseinrichtung 22 verbunden, die ein in der Kapazität 23 gespeichertes Spannungssignal quantisieren kann.
Die Schalter 24 bilden zusammen mit der Kapazität 23 eine Kombination aus einem Multiplexer und einem Sample/Hold-Element. Dazu wird in der Sample-Phase der Schalter 24 geschlossen, der mit der Analogleitung verbunden ist, deren Spannung erfasst werden soll. Nach einer Zeit, die ausreicht, um die Kapazität 23 auf die zu erfassende Spannung aufzuladen, wird der Schalter 24 geöffnet, so dass alle Schalter 24 geöffnet sind. In dieser Hold-Phase wird die Spannung der Kapazität 23 durch kein Analogeingangssignal mehr beeinflusst und bleibt daher über eine bestimmte Zeitdauer erhalten. Voraussetzung dafür ist, dass die Erfassungseinrichtung 22 keinen oder nur einen sehr geringen Strom aus der Kapazität 23 entnimmt und einen möglichst hohen Eingangswiderstand aufweist. Die Erfassungseinrichtung 22 kann in beliebiger Analog-/Digital-Wandler sein. In einer besonderen Ausführungsform kann die Kapazität 23 zusammen mit der Erfassungseinrichtung 22 den Analog-Digital-Wandler bilden, indem die in der Kapazität 23 enthaltene Ladung in weitere Kapazitäten in der Erfassungseinrichtung 22 gesteuert umgeladen wird. Bei Kenntnis der Kapazität 23 und der Kapazitäten in der Erfassungseinrichtung 22 kann auf diese Weise die zu Beginn des Umladevorgangs in der Kapazität 23 enthaltene Spannung ermittelt werden.
Die Schalter 24 können einen bestimmten Widerstand aufweisen, der auch für die verschiedenen Schalter 24 unterschiedlich sein kann. Der Widerstand eines Schalters 24 bildet in so einem Fall zusammen mit der Kapazität 23 einen Tiefpass. Einzelnen oder allen Widerständen 24 können zusätzliche Widerstände in Reihe vor- oder nachgeschaltet werden, um den Gesamtwiderstand zu erhöhen und somit die Zeitkonstante und damit die Tiefpasswirkung des zusammen mit der Kapazität 23 gebildeteten Tiefpasses zu erhöhen.
Grundsätzlich kann in allen Ausführungsformen ein Tiefpass im Signalpfad des zu erfassenden Analogsignals eingefügt werden und die Funktionsweise so eingestellt werden, dass während der Erfassung durch die Erfassungseinrichtung 2, 22 eine vor der Erfassungseinrichtung 2, 22 angeordnete Kapazität 23 mit der von der Auswahlschaltung durchgeschalteten Signalquelle verbunden bleibt. Dazu kann der jeweilige Schalter 24 geschlossen bleiben. Dabei kann die Zeitkonstante des Tiefpasses im Vergleich zu der Erfassungsgeschwindigkeit der Erfassungeinrichtung 2, 22 groß gewählt sein, so dass die maximal mögliche Änderung der Spannung über der Kapazität 23 während einer Erfassung durch die Erfassungseinrichtung 2, 22 nicht zu einem unzulässigen Fehler bei der Erfassung führt.
Der interne Multiplexer 5 weist in diesem Ausführungsbeispiel acht Eingänge auf, die aus dem Mikrocontroller 1 herausgeführt sind. Von diesen acht Eingängen sind sieben Eingänge 7 aus dem System herausgeführt und dienen zur Verbindung mit zu erfassenden Analogsignalquellen. Ein Eingang 8 des internen Multiplexers 5 ist mit dem Ausgang eines externen Multiplexers 6 verbunden. Der externe Multiplexer 6 dient innerhalb des Systems zur Erweiterung der Anzahl von analogen Eingangsleitungen und weist selbst weitere Eingänge 9 auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist der externe Multiplexer auch acht Eingänge 9 auf. Der externe Multiplexer 6 ist ferner mit einer Außenmultiplexersteuerung 4 verbunden, die wiederum mit der Kanalsteuerung 3 verbunden ist. Die Außenmultiplexersteuerung 4 wählt in Abhängigkeit von von der Kanalsteuerung 3 empfangenen Signale einen bestimmten Eingang des Multiplexers 6 aus. Der von Multiplexer 6 ausgewählte Signaleingang 9 wird dann auf den Signaleingang 8 des internen Multiplexers 5 geleitet. Wenn ein am externen Multiplexer 6 anliegendes Analogsignal 9 gewandelt werden soll, muss dementsprechend auch der interne Multiplexer 5 den Eingang 8 zu der Erfassungseinrichtung 2 durchschalten. Die Kanalsteuerung 3 stellt durch direkte Ansteuerung des internen Multiplexers 5 sowie durch die Ansteuerung des externen Multiplexers 6 mittels der Außenmultiplexersteuerung 4 sicher, dass der entsprechend zu erfassende Analogeingang 7, 9 zu der Erfassungseinrichtung 2 durchgeschaltet wird.
Dabei unterscheidet sich der Signalpfad für die Analogeingänge 9 vom Signalpfad der Analogeingänge 7. Die Analogeingänge 9 durchlaufen zusätzlich zum internen Multiplexer 5 auch noch den externen Multiplexer 6, der einen zusätzlichen Widerstand darstellen kann. Dies bedeutet, dass es unterschiedlich lange dauern kann, bis eine an den Eingängen 7, 9 anliegende Spannung nach dem Durchschalten zu der Erfassungseinrichtung 2 sich bis dahin ausgebreitet hat. Dies hat zu Folge, dass die am Eingang der Erfassungseinrichtung 2 anliegende Spannung erst nach möglicherweise unterschiedlich langen Zeiten mit hinreichender Genauigkeit der am Analogeingang 7, 9 anliegenden Spannung entspricht. Um dies zu berücksichtigen, wird von der Kanalsteuerung 3 eine Samplezeit, die vor jeder Wandlung abgewartet wird, in Abhängigkeit des Einstellvorgangs der Multiplexer 5, 6 eingestellt.
5 zeigt Timingdiagramme zur Steuerung der beiden Multiplexer 5, 6 sowie der Erfassungseinrichtung 2. Dabei zeigt die obere Zeitskala 25 Einstellvorgänge 27 bis 33 des internen Multiplexers 5 und die untere Zeitskala 26 Einstellvorgänge 34 bis 37 des externen Multiplexers 6. Jeder Einstellvorgang 27 bis 37 stellt mit einem nach oben gerichtetem Pfeil das Einstellen des jeweiligen Multiplexers 5, 6 dar. Als Einstellvorgang kann auch das erneute Einstellen auf den gleichen Eingang wie vorher gewertet werden, auch wenn keine Veränderung der Einstellung eintritt. Grundsätzlich kann in allen Ausführungsformen berücksichtigt werden, ob bei einem Einstellvorgang ein Umschalten und somit eine Veränderung der Einstellung auftritt, und in so einem Fall eine kürzere oder auch überhaupt keine Verzögerungszeit vor der Erfassung eingestellt werden. Eine unnötige Verzögerungszeit wird somit vermieden, da kein Einschwingvorgang abgewartet werden muss.
Die nach rechts gerichteten Pfeile, die von jedem Einstellvorgang 27 bis 37 ausgehen, stellen jeweils eine voreingestellte Wartezeit dar, die nach jedem Einstellvorgang 27 bis 37 abgewartet werden muss, bis eine neue Erfassung des Analogsignals stattfinden kann. Der Mikrocontroller 1 ist so eingerichtet, dass nach jedem Einstellvorgang des internen Multiplexers 5 eine erste kürzere Zeitdauer abgewartet wird und nach jedem Einstellvorgang des externen Multiplexers 6 eine zweite längere Zeitdauer abgewartet wird, wie es in 5 zu sehen ist. Dies kann mit zwei Zählern bzw. allgemein mit Hilfe von zwei Timern oder Zeitgliedern erreicht werden, die für eine vorbestimmte Zeitverzögerung sorgen. Dazu kann beispielsweise jeder Zähler beim Start, das heißt bei jedem Einstellvorgang 27 bis 37 eines Multiplexers 5, 6 mit einem vorbestimmten Wert geladen werden. Die Zähler werden mit einem bestimmten Takt heruntergezählt und geben, wenn sie Null oder einen anderen festen Wert erreicht haben, ein Signal ab und zeigen auf diese Weise den Ablauf der Verzögerungszeit an. Alternativ können die Zähler beim Start mit Null geladen werden und auf- oder abgezählt werden, wobei die Zählerstände mit Schwellwerten verglichen werden und bei Erreichen der Schwellwerte das Ablaufen der jeweiligen Zeitdauer angezeigt wird.
Die Verzögerungszeiten nach jedem Schaltvorgang 27 bis 33 des internen Multiplexers 5 sind dabei deutlich kürzer als die Zeitdauern nach jedem Schaltvorgang 34 bis 37 des externen Multiplexers 6. Der Grund für diese Wahl der jeweiligen Verzögerungszeiten liegt in dem unterschiedlichen Signalpfad für die Analogsignale, die über den externen Multiplexer 6 geschaltet werden. Auf Grund des zusätzlichen externen Multiplexers 6 braucht das Signal eine längere Zeit, um einzuschwingen, so dass vor einer korrekten Erfassung längere Zeit gewartet werden muss. Diese Zeit kann eingestellt werden und kann vom Zeitverhalten des Signalpfads abhängig gemacht werden. Wenn beispielsweise der Eingang 8 des internen Multiplexers 5 mit einer Kapazität gepuffert wird, muss diese nach einem Einstellvorgang des externen Multiplexers 6 erst auf das neu durchgeschaltete Spannungspotential aufgeladen werden, welches eine zusätzlich Verzögerung beim Einschwingvorgang bedeuten kann.
Im Folgenden wird eine Folge von verschiedenen Analogsignalerfassungen mit dem in 5 dargestellten Zeitablauf beschrieben. Zu Beginn wird mit dem Einstellvorgang 27 der interne Multiplexer 5 eingestellt und gleichzeitig mit dem Einstellvorgang 34 der externe Multiplexer 6 eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt beginnen zwei einzuhaltende Verzögerungszeiten zu laufen, die für die beiden Multiplexer 5, 6 allerdings wie dargestellt unterschiedlich sind. Der interne Multiplexer 5 wird dabei auf einen der Signaleingänge 7 eingestellt, der nicht über den externen Multiplexer 6 geschaltet ist. Zum Zeitpunkt des Einstellvorgangs 28 kann eine Erfassung mittels der Erfassungseinrichtung 2 erfolgen, da die Verzögerungszeit des vorhergegangenen Einstellvorgangs 27 abgelaufen ist und ein Eingang 7 des internen Multiplexers 5 erfasst werden soll, der nicht über den externen Multiplexer 6 geschaltet wird und somit auch nicht die einzuhaltende Verzögerungszeit nach dem Einstellvorgang des externen Multiplexers 6 eingehalten werden muss. Mit dem Einstellvorgang 28 wird der interne Multiplexer 5 auf einen anderen Eingang 7 eingestellt, so dass zum Zeitpunkt des drauffolgenden Einstellvorgangs 29 erneut eine Wandlung eines Eingangs 7 erfolgen kann.
Mit dem Einstellvorgang 29 wird der interne Multiplexer 5 auf den Eingang 8 geschaltet, um die Spannung an dem Eingang 9 zu erfassen, der mit dem Einstellvorgang 34 am externen Multiplexer 6 eingestellt worden ist. Bedingung hierfür ist aber, dass beide Verzögerungszeiten abgelaufen sind, die nach den Einstellvorgängen 29, 34 beider Multiplexer 5, 6 in Lauf gesetzt worden sind. Dies ist zum Zeitpunkt der Einstellvorgänge 30, 35 der Fall, so dass zu diesem Zeitpunkt die Spannung an dem ausgewählten Eingang 9 erfasst werden kann. Der Einstellvorgang 30 stellt den internen Multiplexer 5 wieder auf einen Signaleingang 7 ein und der Einstellvorgang 35 stellt den externen Multiplexer auf einen anderen Eingang 9 ein. Da der interne Multiplexer 5 auf einen Eingang 7 eingestellt ist, der nicht über den externen Multiplexer 6 geschaltet wird, muss nur die kürzere Verzögerungszeit abgewartet werden, die durch den Einstellvorgang 30 in Lauf gesetzt worden ist. Somit kann die nächste Erfassung zum Zeitpunkt des Einstellvorgangs 31 erfolgen.
Mit dem Einstellvorgang 31 wird der interne Multiplexer 5 wieder auf den Eingang 8 eingestellt, um den zuvor im Einstellvorgang 35 eingestellten Signaleingang 9 zu erfassen. In diesem Fall muss wieder der Ablauf beider Verzögerungszeiten abgewartet werden. Nun läuft die kürzere Verzögerungszeit für den internen Multiplexer 5 in Folge des Einstellvorgangs 31 vor dem Ablauf der Verzögerungszeit für den externen Multiplexer 6 in Folge des Einstellvorgangs 35 ab, so dass auf den Ablauf der Verzögerungszeit in Folge des Einstellvorgangs 35 gewartet werden muss. Dies ist zum Zeitpunkt der Einstellvorgänge 32, 36 der Fall. Nun wird der mit dem Einstellvorgang 35 am externen Multiplexer 6 eingestellte Signaleingang 9 erfasst. Mit dem Einstellvorgang 32 wird der interne Multiplexer 5 auf den Eingang 8 geschaltet und mit dem Einstellvorgang 36 der externe Multiplexer 6 auf einen anderen Eingang 9 geschaltet, um zum nächstmöglichen Zeitpunkt ein Signal am externen Multiplexer 6 zu wandeln. Für diesen Zweck muss wieder auf den Ablauf beider Verzögerungszeiten gewartet werden, die durch die Einstellvorgänge 32 und 36 in Lauf gesetzt worden sind. Dies ist zum Zeitpunkt der Einstellvorgänge 33, 37 der Fall.
Allgemein gilt, dass bei Wandlung eines Signaleingangs 7, der mit dem internen Multiplexer 5 verbunden ist, ohne über einen zusätzlichen externen Multiplexer 6 geschaltet zu sein, nur die Verzögerungszeit abgewartet werden muss, die durch einen Einstellvorgang 27 bis 33 des internen Multiplexers 5 in Lauf gesetzt worden ist. Erst wenn ein Eingang 9 des externen Multiplexers 6 erfasst werden soll, muss sowohl der Ablauf der durch einen Einstellvorgang 27 bis 33 des internen Multiplexers 5 in Lauf gesetzten Verzögerungszeit als auch der Ablauf einer durch einen Einstellvorgang 34 bis 37 des externen Multiplexers 6 in Lauf gesetzten Verzögerungszeit abgewartet werden.
Der Vorteil zweier unabhängig voneinander ablaufender Verzögerungszeiten, die durch den Einstellvorgang des internen Multiplexers 5 oder durch einen Einstellvorgang des externen Multiplexers 6 jeweils in Lauf gesetzt werden, besteht darin, dass nach einem Einstellvorgang 34 bis 37 des externen Multiplexers 6 der interne Multiplexer 5 zur Wandlung eines Signals am Eingang 7 umgeschaltet werden kann, ohne das die Verzögerungszeit für externen Multiplexer 6 von neuem zu Laufen beginnen muss. Nach der Wandlung eines Signals an einem Eingang 7 des internen Multiplexers 5 kann dieser wieder auf den Eingang 8 umgeschaltet werden, um das Signal an dem Eingang 9 zu wandeln, auf der externe Multiplexer 6 zuvor eingestellt worden ist.
Bei den in 5 dargestellten Erfassungsvorgängen fallen die Einstellvorgänge 27 bis 33 des internen Multiplexers zeitlich immer mit den Einstellvorgängen 34 bis 37 des externen Multiplexers 6 zusammen. Dies muss nicht notwendigerweise so sein. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Einstellvorgang 34 bis 37 des externen Multiplexers 6 während des Ablaufs einer durch einen Einstellvorgang 27 bis 33 für den internen Multiplexer 5 in Lauf gesetzten Verzögerungszeit auftritt. Damit kann während der Vorbereitung auf eine Erfassung eines Signals an einem Eingang 7 des internen Multiplexers 5 schon der externe Multiplexer 6 eingestellt werden, um möglichst schnell einen Eingang 9 des externen Multiplexers 6 wandeln zu können, insbesondere wenn dieser eine längere Verzögerungszeit aufweist. Ebenso ist es denkbar, dass der interne Multiplexer 5 auf den Eingang 8 und der externe Multiplexer 6 auf einen Eingang 9 eingestellt wird, um ein Signal an einem Eingang 9 des externen Multiplexers 6 zu wandeln, und dann danach den internen Multiplexer 5 wieder auf einen Eingang 7 einzustellen, um ein dort anliegendes Signal zu erfassen. Damit kann beispielsweise der Ablauf der vergleichsweisen langen Verzögerungszeiten nach einem Einstellvorgang des externen Multiplexers 6 zur Wandlung eines anderen Signals an einem Eingang 7 verwendet werden. Auslöser dafür kann beispielsweise der Empfang einer Anforderung mit höherer Priorität zur Wandlung eines Signals an einem Eingang 7 sein.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems zur Analog-Digital-Wandlung dargestellt. Das dargestellte System ist vergleichbar zu dem in 1 dargestellten System und weist ebenso einen Mikrocontroller 1 und darin enthalten eine Erfassungseinrichtung 2, eine Kanalsteuerung 3, eine Außenmultiplexersteuerung 4 und einen internen Multiplexer 5 auf. Der wesentliche Unterschied zu dem in 1 dargestellten System besteht darin, dass mehrere externe Multiplexer oder Erweiterungsmultiplexer 6, 10, 11 vorgesehen sind. Dabei ist jeder externe Multiplexer 6, 10, 11 mit einem separaten Eingang 8, 14, 15 des internen Multiplexers 5 gekoppelt. Dies bedeutet, dass von den acht Eingängen des internen Multiplexers 5 drei Eingänge 8, 14, 15 mit einem externen Multiplexer 6, 10, 11 verbunden sind und dem entsprechend nur noch fünf Eingänge 7 übrig sind, an die ein Analogsignal ohne Zwischenschaltung eines externen Multiplexers 6, 10, 11 angelegt werden kann. Die Steuereingänge der externen Multiplexer 6, 10, 11 sind parallel geschaltet und mit der Außenmultiplexersteuerung 4 verbunden. Somit werden alle externen Multiplexer 6, 10, 11 parallel angesteuert und jeweils auf den gleichen Kanal eingestellt. Der erste externe Multiplexer 6 weist dabei die Eingänge 9, der externe Multiplexer 10 die Eingänge 12 und der externe Multiplexer 11 die Eingänge 13 auf. Somit stehen an den externen Multiplexern 6, 10, 11 ausgehend von jeweils einem 8-zu-1-Multiplexer insgesamt 24 Eingänge 9, 12, 13 zur Verfügung. Zur Auswahl des richtigen Eingangs 9, 12, 13 wird mit dem internen Multiplexer 5 der Eingang 8, 14, 15 ausgewählt, der mit dem externen Multiplexer 6, 10, 11 verbunden ist, an dessen Eingang 9, 12, 13 das zu erfassende Signal anliegt.
Auch hier wird wie bei dem System in 1 bei jedem Einstellvorgang des internen Multiplexers 5 eine erste Verzögerungszeit in Lauf gesetzt und bei einem Einstellvorgang der externen Multiplexer 6, 10, 11 eine zweite Verzögerungszeit in Lauf gesetzt, wobei die zweite Verzögerungszeit der externen Multiplexer 6, 10, 11 länger als die erste Verzögerungszeit des internen Multiplexers 5 ist. Die Art und Weise, wie mit dem System gemäß 2 Analogsignale an den Eingängen 7, 9, 12, 13 erfasst werden ist, die gleiche wie sie mit Bezug auf das System nach 1 und die Abfolge nach 5 beschrieben worden ist. Der einzige Unterschied besteht bei dem Verhalten der Kanalsteuerung 3, die bei Auswahl eines Eingangs 9, 12, 13 an einem externen Multiplexer 6, 10, 11 nicht immer auf den gleichen Eingang des internen Multiplexers 5 sondern auf einen der drei Eingänge 8, 14, 15 des internen Multiplexers 5 schalten muss, entsprechend des externen Multiplexers 6, 10, 11, an dem das zu wandelnde Signal anliegt.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems zur Analog-Digital-Wandlung beschrieben. Dieses System weist ebenso wie die zuvor beschriebenen Systeme ein Auswahlschaltung mit kaskadierten Auswahlschaltern bzw. Multiplexern auf, die zusammen einen Auswahlschaltung bilden. Das System in 3 ist vollständig in einem Halbleiter, in diesem Fall einem Mikrocontroller 1, realisiert. Der Mikrocontroller 1 weist intern eine Erfassungseinrichtung 2, eine Kanalsteuerung 3, einen Multiplexer 5, der auch Hauptmultiplexer genannt werden kann, sowie zwei Erweiterungsmultiplexer 18, 19 auf. Die Ausgänge der Erweiterungsmultiplexer 18, 19 sind mit Eingängen des Multiplexers 5 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang der Erfassungseinrichtung 2 verbunden ist. Jeder Multiplexer 5, 18, 19 weist zwei Eingänge auf, so dass durch die Kaskadierung insgesamt vier Eingänge zur Verfügung stehen, wobei die Eingangsleitungen 20 mit dem ersten Erweiterungsmultiplexer 18 und die Eingänge 21 mit dem zweiten Erweiterungsmultiplexer 19 verbunden sind. Alle drei Multiplexer 5, 18, 19 werden durch separate Steuerleitungen von der Kanalsteuerung 3 gesteuert.
Die Kanalsteuerung 3 weist dazu zwei Zähler 16, 17 auf, mit denen der Ablauf einer bestimmten Zeitdauer überwacht werden kann. Dabei dient der erste Zähler 16 zur Überwachung des Ablaufs einer ersten Zeitdauer und der zweite Zähler 17 zur Überwachung des Ablaufs einer zweiten Zeitdauer. Beide Zähler 16, 17 sind so eingerichtet, dass sie unabhängig voneinander bei einem bestimmten Ereignis gestartet werden können und nach Ablauf der jeweiligen Zeitdauer ein Signal abgeben. Der erste Zähler 16 ist dabei dem erstem Erweiterungsmultiplexer 18 zugeordnet, so dass bei jedem Einstellvorgang des ersten Erweiterungsmultiplexers 18 der Zähler 16 gestartet wird. In gleicher Weise ist der zweite Zähler 17 dem zweiten Erweiterungsmultiplexer 19 zugeordnet, so dass bei jedem Einstellvorgang des zweiten Multiplexers 19 der Zähler 17 gestartet wird.
Die Zeitverzögerungen der beider Zähler 16, 17 sind so gewählt, dass sie es den beiden zweiten Multiplexern 18, 19 nach einem Umsschaltvorgang erlauben, auf den Wert einzuschwingen, der durchgeschaltet wurde. Die beiden Zeitdauern der beiden Zähler 16, 17 können dabei auf den jeweiligen zweiten Erweiterungsmultiplexer 18, 19 abgestimmt werden, wenn diese unterschiedliche Zeitverhalten haben. Ferner kann bei den Zeitverzögerungen der beiden Zähler 16, 17 auch das zeitliche Verhalten des Signalpfads zwischen dem jeweiligen Erweiterungsmultiplexer 18, 19 und dem entsprechenden Eingang des ersten Multiplexers 5 berücksichtigt werden. So kann beispielsweise zwischen dem Erweiterungsmultiplexer 18 oder dem Erweiterungsmultiplexer 19 oder beiden und dem entsprechenden Eingang des Multiplexers 5 ein Verstärker, beispielsweise ein Operationsverstärker, gekoppelt sein. In diesem Fall können die Zeitverzögerungen der beiden Zähler 16, 17 verlängert werden, um das Einschwingen auch des Verstärkers zu ermöglichen. Grundsätzlich kann die in einem Zähler 16, 17 eingestellte Verzögerungszeit entsprechend des zeitlichen Verhaltens des vollständigen Signalspfads ab dem Eingang des jeweils zugeordneten Erweiterungsmultiplexers 18, 19 bis zum Eingang des Multiplexers 5 eingestellt werden.
Der erste Zähler 16 wird bei jedem Einstellvorgang des ersten Erweiterungsmultiplexers 18 und der zweite Zähler 17 wird bei jedem Einstellvorgang des zweiten Erweiterungsmultiplexers 19 gestartet. Die Erfassung des am Ausgang des Multiplexers 5 anliegenden Signals wird erst durchgeführt, wenn derjenige der beiden Zähler 16, 17 abgelaufen ist, der dem Erweiterungsmultiplexer 18, 19 zugeordnet ist, über den das zu erfassende Signal geschaltet ist. Wenn beispielsweise ein Signal an einem Eingang 20 erfasst wird und gleichzeitig der zweite Erweiterungsmultiplexer 19 bereits auf den als nächstes zu erfassenden Eingang 21 eingestellt wird, so beginnt die Verzögerungszeit im Zähler 17 bereits abzulaufen, während noch das Signal an einem Eingang 20 erfasst wird. Wenn in einem nächsten Erfassungsvorgang der Multiplexer 5 umgeschaltet wird, um den Ausgang des zweiten Erweiterungsmultiplexers 19 durchzuschalten, und der Zähler 17 zu diesem Zeitpunkt bereits abgelaufen ist, kann ohne weitere Verzögerung mit der Erfassung des Signals am durchgeschalteten Eingang 21 begonnen werden.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann in einer Weiterbildung die Kanalsteuerung 3 über einen dritten Zähler verfügen, der dem Multiplexer 5 zugeordnet ist. Der dritte Zähler kann ebenso den Ablauf einer Zeitverzögerung anzeigen und wird bei jedem Einstellvorgang des Multiplexers 5 gestartet. In diesem Fall würde eine Erfassung durch die Erfassungseinrichtung 2 erst dann vorgenommen werden, wenn die Zeitverzögerungen aller Multiplexer 5, 18, 19 abgelaufen sind, die von dem als nächstes zu erfassenden Signal durchlaufen werden.
Alle Systeme zur Analog-Digital-Wandlung der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können teilweise oder vollständig in einem Halbleiterbauelement integriert sein. Dies kann beispielsweise ein Mikrocontroller sein.
Bei all den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann auch nur ein Verzögerungselement verwendet werden, das mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten gestartet werden kann. In diesem Fall wird das Verzögerungselement bei einem Einstellvorgang des internen Multiplexers oder des Hauptmultiplexers 5 mit einem ersten kleinen Wert gestartet und bei einem Einstellvorgang eines externen Multiplexers oder Erweiterungsmulitplexer 6, 10, 11, 18, 19 mit einem zweiten, größeren Wert gestartet.
Bei all den beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Verzögerungszeiten bei grundsätzlich jedem Einstellvorgang oder auch nur bei bestimmten Einstellvorgängen angewendet werden, bei denen beispielsweise ein Umschalten auftritt oder bei denen bestimmte Reihenfolgen bestimmter Einstellvorgänge auftreten.
Ferner kann in allen Ausführungsbeispielen als weitere Alternative vorgesehen sein, dass die Verzögerungszeit vor einer zusätzlichen Sample-Zeit ablaufen soll anstatt die Sample-Zeit in die Verzögerungszeit mit zu integrieren.

1: Mikrocontroller
2, 22: Erfassungseinrichtung
2: Kanalsteuerung
3: Außenmultiplexersteuerung
4: Interner Multiplexer
6, 10, 11: Externer Multiplexer
7, 8, 9, 12–15, 20, 21: Eingangleitungen
16, 17: Zeitglieder
18, 19: Erweiterungs-Multiplexer
23: Kapazität
24: Auswahlschalter
25, 26: Zeitfolge für Multiplexereinstellvorgänge
27–37: Multiplexereinstellvorgänge

Claims

Verfahren zum Erfassen eines Analogsignals mittels einer Erfassungseinrichtung (2, 22), die einen analogen Signaleingang aufweist, und einer mit dem Signaleingang der Erfassungseinrichtung (2, 22) gekoppelten Auswahlschaltung (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24), wobei die Auswahlschaltung (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24) in Reihe geschaltet einen Hauptauswahlschalter (5) und einen Vorauswahlschalter (6, 10, 11, 18, 19) umfasst, der Hauptauswahlschalter (5) zwischen den Vorauswahlschalter (6, 10, 11, 18, 19) und die Erfassungseinrichtung (2, 22) geschaltet ist und eine Verzögerungszeit vor der Erfassung eines am Signaleingang der Erfassungseinrichtung (2, 22) anliegenden Analogsignals in Abhängigkeit des Auftretens eines Einstellvorgangs des Vorauswahlschalters (6, 10, 11, 18, 19) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit dem Auftreten eines Einstellvorgangs des Vorauswahlschalters (6, 10, 11, 18, 19) eine Hilfsverzögerungszeit gestartet wird und die Verzögerungszeit für eine Erfassung frühestens mit Ablauf der Hilfsverzögerungszeit abläuft, falls bei der Erfassung ein an dem Vorauswahlschalter (6, 10, 11, 18, 19) anliegendes Signal an den Signaleingang der Erfassungseinrichtung (2, 22) geschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ablauf der Verzögerungszeit durch ein einstellbares Verzögerungselement ermittelt wird und das Verzögerungselement in Abhängigkeit des Auftretens eines Einstellvorgangs der Auswahlschaltung (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verzögerungszeit nach dem Auftreten eines Einstellvorgangs der Auswahlschaltung (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24) erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verzögerungszeit von einer Steuereinrichtung (3) eingestellt wird, die auch die Auswahlschaltung (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24) steuert.
Analog-Digital-Wandlungs-System mit einer Erfassungseinrichtung (2, 22), die einen analogen Signaleingang ausweist, und eine Steuereinrichtung (3, 4) zum Steuern einer Auswahlschaltung (5, 6, 10, 11, 18, 19) zum Koppeln mit dem Signaleingang der Erfassungseinrichtung (2, 22), wobei die Auswahlschaltung (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24) in Reihe geschaltet einen Hauptauswahlschalter (5) und einen Vorauswahlschalter (6, 10, 11, 18, 19) umfasst, der Hauptauswahlschalter (5) Teil des Analog-Digital-Wandlungs-Systems ist, und wobei die Steuereinrichtung (3, 4) eine Verzögerungszeit vor der Erfassung eines am Signaleingang der Erfassungseinrichtung (2, 22) anliegenden Analogsignals in Abhängigkeit des Auftretens eines Einstellvorgangs des Vorauswahlschalters (6, 10, 11, 18, 19) einstellt.
Analog-Digital-Wandlungs-System nach Anspruch 6, wobei das Analog-Digital-Wandlungs-System ein Hilfsverzögerungselement (17) aufweist und die Steuereinrichtung bei Auftreten eines Einstellvorgangs des Vorauswahlschalters (6, 10, 11, 18, 19) das Hilfsverzögerungselement (17) startet und die eine Erfassung frühestens mit Ablauf des Hilfsverzögerungselements (17) startet, falls bei Erfassung ein an dem Vorauswahlschalter (6, 10, 11, 18, 19) anliegendes Signal an den Signaleingang der Erfassungseinrichtung (2, 22) geschaltet ist.
Analog-Digital-Wandlungs-System nach Anspruch 6, wobei der Hauptauswahlschalter (5) und der Vorauswahlschalter (18, 19) Teil des Analog-Digital-Wandlungs-System sind.
Analog-Digital-Wandlungs-System nach einem der Ansprüche 6 oder 7 wobei das Analog-Digital-Wandlungs-System in einem Halbleiterbauelement integriert ist.
Analog-Digital-Wandlungs-System nach Anspruch 8, wobei das Analog-Digital-Wandlungs-System zusammen mit einem Prozessor in einem Halbleiterbauelement integriert ist.
Analog-Digital-Wandlungssystem mit einer Erfassungseinrichtung (2, 22), die einen analogen Signaleingang aufweist, und einer Steuereinrichtung (3,4) zum Steuern einer Auswahlschaltung (5, 3, 10, 11, 18, 19, 24), die in Reihe geschaltet einen Hauptauswahlschalter (5) und einen Vorauswahlschalter (6, 10, 11, 18, 19) umfasst, zum Koppeln mit der Erfassungseinrichtung (2, 22), wobei die Steuereinrichtung bei jedem Einstellvorgang eines Auswahlschalters (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24) eine diesem Auswahlschalter (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24) zugeordnete Verzögerungszeit in Lauf setzt und eine Erfassung durch die Erfassungseinrichtung (2, 22) frühestens mit Ablauf all der Verzögerungszeiten startet, die den Auswahlschaltern (5, 6, 10, 11, 18, 19, 24) zugeordnet sind, durch die ein von der Steuereinrichtung (3, 4) gesteuerter Signalpfad verläuft.