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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Signalmultiplexer für die industrielle Datenerfassung.
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Signalmultiplexer sind bei industriellen Datenerfassungssystemen weit verbreitet. Mit einer Anzahl von separaten Eingangskanälen und einem einzigen Ausgang, der sequenziell an jeden und jeweils nur an einen der Eingangskanäle angeschlossen wird, ermöglichen sie das Abtasten einer gleichen Anzahl von Eingangsspannungssignalen mit einem einzigen Verstärker und einem einzigen Datenumwandlungskanal. Ein Signalmultiplexer zieht einen Nutzen daraus, dass für alle Kanäle ein und dieselbe Signalaufbereitung verwendet wird, wodurch gleiche Bedingungen für alle Signalquellen, die mit den Eingangskanälen verbunden sind, geschaffen werden.
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Während Verstärkungs- und Offsetfehler zwischen den Eingangskanälen durch eine Kalibrierung beseitigt werden können, gibt es aufgrund der Ausgangskapazität eine Fehlerquelle. Die Ausgangskapazität ist parasitär und in der Schaltungsausgestaltung des Multiplexers inhärent, welche üblicherweise eine integrierte CMOS-Schaltung ist, bei der die Schalter durch MOSFETs implementiert sind. Da der Ausgang zyklisch alle Eingangskanäle durchläuft, wird die Ausgangskapazität von jeder angeschlossenen Signalquelle geladen. Beim Umschalten von einem Eingangskanal zu einem anderen wird die Spannung an der Ausgangskapazität von der Spannung einer angeschlossenen Signalquelle in die Spannung der nächsten angeschlossenen Signalquelle geändert, die sich üblicherweise von der Spannung der zuvor angeschlossenen Signalquelle unterscheidet. Die Zeit, die zum Einstellen der Spannung an der Ausgangskapazität auf einen neuen Wert erforderlich ist, die Einschwingzeit, hängt von der Spannungsdifferenz und von der Impedanz der verbundenen Signalquelle ab. Die Spannungsdifferenz ist ein unbekannter Faktor, der einen Einschwingzeitfehler einführt, der sich nicht durch Kalibrierung beseitigen lässt.
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Der Einschwingzeitfehler kann vernachlässigt werden, wenn eine geringfügig verlängerte Datenerfassungszeit akzeptabel ist. Die Vermeidung des Einschwingzeitfehlers würde jedoch eine schnellere Datenerfassung ermöglichen.
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Aus der
US 3598922 ist ein Multiplexer bekannt, bei dem ein fließender Übergang des Ausgangssignals bei einem Wechsel zwischen verschiedenen Eingangssignalen erreicht werden soll. Die offenbarten Maßnahmen dienen insbesondere der Vermeidung von Störungen in Fluggeräten. Im Hinblick auf eine beschleunigte Datenerfassung der Daten verschiedener Quellen über einen entsprechenden Multiplexer und dem dabei auftretenden Problem der parasitären Ausgangskapazität, ist diesem Dokument jedoch keine Lösung zu entnehmen.
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Die
DE 103 34 387 A1 zeigt eine Multiplexschaltung, bei welcher durch entsprechendes Ansteuern der verwendeten Transistoren der jeweils nicht invertierende Eingang eines Spannungsfolgers wahlweise auf ein Massepotential oder auf das Potential des jeweiligen Eingangs gelegt wird. Eine solche Maßnahme, welche zwar den Umschaltvorgang der Multiplexschaltung betrifft, wendet sich jedoch lediglich den Eingang und nicht den Ausgang des Mulitplexers zu, sodass auch diesem Dokument im Hinblick auf das Problem der parasitären Ausgangskapazität keine entsprechenden Hinweise entnommen werden können.
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Die
DE 195 36 819 A1 betrifft einen Multiplexer, bei welchem durch Anlegen eines Grund-Offsets eine Nullpunktsverschiebung erreicht wird. Diese Maßnahme ist notwendig, da A/D-Wandler typischerweise nur positive Spannungen verarbeiten können und wechselspannungsbehaftete Eingänge vor einer A/D-Wandlung einer entsprechenden Nullpunktsverschiebung unterzogen werden müssen. Dieses Dokument wendet sich also denjenigen Problemen, wie sie bei einem beschleunigten Umschalten zwischen verschiedenen Eingangskanälen eines Multiplexers auftretenden, nicht zu.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Signalmultiplexer für die industrielle Datenerfassung bereitzustellen, welcher gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Signalmultiplexer für die industrielle Datenerfassung bereit, der den Einschwingzeitfehler eliminiert und somit eine schnelle Datenerfassung ermöglicht.
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Die Erfindung stellt insbesondere einen Signalmultiplexer zur industriellen Datenerfassung bereit, der mehrere Eingangskanäle, einen einzigen Ausgang oder mehrere Ausgänge und eine Gruppe von Schaltern aufweist, die selektiv jeden Eingangskanal mit dem Ausgang verbinden. Ein zweckbestimmter Entladungskanal verbindet in jedem Zeitraum während des Umschaltens von einem Eingangskanal zu einem anderen Eingangskanal den Ausgang (oder die mehreren Ausgänge) vorübergehend mit einem festgelegten Spannungsknoten, z. B. mit Masse. Somit wird die Ausgangskapazität vor dem Umschalten zum nächsten Kanal stets auf einen konstanten Wert entladen. Die resultierende konstante Abweichung kann durch Kalibrierung beseitigt werden.
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Die bevorzugte Implementierung des Multiplexers ist eine integrierte CMOS-Schaltung, und der Entladungskanal ist chipintegriert. Im Vergleich zu einem externen Entladungsschalter liegt der Vorteil darin, dass der interne Entladungsschalter nicht durch Schutzanforderungen gegen eine elektrostatische Entladung (ESD) verschlechtert wird.
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Eine beispielhafte Ausführungsform wird nun bezugnehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der die einzige Figur schematisch einen Multiplexer mit dem erfindungsgemäßen Entladungskanal darstellt.
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Der gezeigte beispielhafte Multiplexer MUX hat lediglich zwei Eingangskanäle Ch1 und Ch2 und einen einzigen Ausgang Out. Eine Implementierung für die industrielle Datenerfassung würde gewöhnlich vier oder acht Eingangskanäle aufweisen. Der Multiplexer MUX ist üblicherweise eine integrierte CMOS-Schaltung IC. Der Eingangskanal Ch1 ist über ein RC-Tiefpassfilter, das einen Widerstand R1 und einen Kondensator C1 aufweist, von denen angenommen wird, dass sie außerhalb der integrierten Schaltung IC liegen, mit einem ersten Eingang des Multiplexers verbunden. Ebenso ist der Eingangskanal Ch2 über ein RC-Tiefpassfilter, das einen Widerstand R2 und einen Kondensator C2 aufweist, von denen angenommen wird, dass sie außerhalb der integrierten Schaltung IC liegen, mit einem zweiten Eingang des Multiplexers verbunden. Innerhalb der Schaltung IC hat der erste Kanal Ch1 eine Kapazität, die durch einen Kondensator C3 dargestellt ist, und einen Schalter SW1, dessen interner EIN-Widerstand durch einen Widerstand R3 dargestellt ist. Bei einer praktischen Implementierung ist der Schalter SW1 ein Transistor mit einem EIN-Widerstand R3 von beispielsweise 200 Ohm. Die durch den Kondensator C3 dargestellte Eingangskapazität von beispielsweise 3 pF ergibt sich aus der Schutzzelle und der Eingangsseite des Schalters. Der zweite Eingangskanal Ch2 hat ebenso einen EIN-Widerstand, der durch einen Widerstand R4 dargestellt ist, und eine Gate-Kapazität, die durch den Kondensator C4 dargestellt ist. Die nachgeordneten Seiten der Schalter SW1 und SW2 sind mit dem Ausgang Out verbunden, der eine durch einen Kondensator Cout dargestellte Ausgangskapazität aufweist, deren Wert üblicherweise einige zehn pF, beispielsweise 30 pF beträgt. Die Ablaufsteuerung für die Schalter SW1 und SW2 ist der Einfachheit halber nicht gezeigt.
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Der erfindungsgemäße Multiplexer weist außerdem einen internen Entladungspfad mit einem Schalter SW3 und einem Widerstand R5 auf, der zwischen dem Ausgang Out und einem Referenzknoten, der, wie gezeigt, Masse sein kann, mit dem Schalter SW3 in Reihe geschaltet ist. Bei einer praktischen Implementierung ist der Widerstand R5 genau genommen der EIN-Widerstand eines Schalttransistors und würde üblicherweise einen Wert von beispielsweise 200 Ohm haben. Die Steuerschaltungsanordnung für alle Schalter einschließlich Schalter SW3 ist in der integrierten Schaltung IC aufgenommen.
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Im Betrieb werden die Schalter SW1 und SW2 nacheinander abwechselnd geschlossen und geöffnet. Der Schalter SW3 im Entladungspfad ist normalerweise geöffnet, doch in jedem Zeitraum während des Umschaltens von einem Kanal zu einem anderen wird der Schalter SW3 vorübergehend geschlossen, wodurch die Ausgangskapazität Cout auf einen festen Spannungsknoten, beispielsweise Masse entladen wird. Dementsprechend wird die Ausgangskapazität stets entladen, bevor sie auf den Pegel des nächsten Eingangskanals geladen wird. Da der nachfolgende Kanal die Ausgangskapazität immer aus dem entladenen Zustand lädt (im Gegensatz zu dem willkürlichen Spannungspotential bei einem Multiplexer ohne Entladungskanal), wird der Einschwingzeitfehler vorhersehbar und kann kalibriert werden, was ein schnelleres Abtasten der Kanäle ermöglicht.
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Bei einer Implementierung mit mehr als einem einzigen Ausgang, beispielsweise mit zwei Ausgängen bei einer differentiellen Datenerfassung oder mit mehreren Ausgängen bei komplexen MUX-Implementierungen, in denen die Eingänge mit verschiedenen Ausgängen verbunden werden können, ist jeder derartige Ausgang mit dem Entladungselement versehen, das oben für den Fall mit einem einzigen Ausgang offenbart wurde.
