DE102008041841A1 - Analog-Digital-Wandler und Verfahren zur Kalibrierung eines solchen Analog-Digital-Wandlers - Google Patents

Analog-Digital-Wandler und Verfahren zur Kalibrierung eines solchen Analog-Digital-Wandlers Download PDF

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DE102008041841A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Wandler (ADC), der eine Kalibrierungslogik (L) aufweist, mit mindestens einem elektronischen Kalibrierungselement (Ck1 ... Ckn), das mit genau einem Pol mit dem besagten Verbindungspunkt verbunden ist, und die ausgebildet ist, in Ansprechen auf den elektrischen Wert des Ausgangssignals des Komparators (C) mindestens einen zweiten Pol dieses elektronischen Kalibrierungselementes (Ck1 ... Ckn) mit mindestens einem der besagten drei Signale zu verbinden, um eine Kalibrierung einer Übertragungskennlinie (F0 ... F4) des Wandlers (ADC) an wenigstens einen Testpunkt durchzuführen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kalibrierung eines solchen Wandlers.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler (ADC, Analog Digital Converter), mit mindestens zwei elektronischen Grundelementen, die an genau einem Pol miteinander verbunden sind, und dieser Verbindungspunkt mit dem Eingang eines Komparators verbunden ist, und durch Verbinden mindestens eines weiteren Pols von jedem der besagten elektronischen Grundelemente mit jeweils einem von mindestens drei Signalen an dem besagten Verbindungspunkt eine elektrische Größe erzeugbar ist, die mit einer vorgegebenen zweiten elektrischen Größe in dem Komparator vergleichbar ist, und die Werte der besagten elektronischen Grundelemente einem Digitalwort zuordenbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kalibrierung eines solchen Analog-Digital-Wandlers, mit einem Initialisierungsschritt, bei dem die Grund- und Kalibrierungselemente sowie der Komparator in einen Bezugszustand gebracht werden.
  • Werden Analog-Digital-Wandler in sicherheitskritischen Anordnungen eingesetzt, dann ist ein Test des Wandlers vor oder während des Einsatzes in der Anwendung sinnvoll, oftmals sogar periodisch vorgeschrieben. Bei diesem Test kommt es in der Regel nicht darauf an, dass die Genauigkeit des Wandlers im gesamten Wandlungsbereich nachgewiesen wird, sondern es wird lediglich gefordert, dass vor allem den höchstfertigsten Bits (MSB, Most Significant Bits) vertraut werden kann, da diese ein schwerwiegenderes Sicherheitsrisiko im Fehlerfalle tragen als die niederwertigsten Bits (LSB, Least Significant Bits). Wie viele Bitwerte dabei eine sicherheitskritische Rolle spielen, hängt von der Anwendung selbst ab. In der Regel kann man eine Abweichung von mehreren niederwertigen Bits im Wandlungsergebnis für diesen Zweck tolerieren. Der damit eventuell einhergehende Verlust an Komfort ist zumindest zeitweise akzeptierbar.
  • Die Patentschrift DE 10 2005 050 768 beschreibt einen parametrischen ADC-Test, der dem gleichen Zweck dient. Dazu wird ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen benutzt, der durch Umpolen der Masse- und Betriebsspannungsanschlüsse zwei Spannungswerte bereitstellt, die nach ihrer Wandlung genau entgegengesetzte höchstwertige Bit-Werte im Digitalwort bewirken, nämlich 100..Ox..x und O11..1x..x, wobei x ein beliebiger Wert ist und genau i x-Werte auftreten. Die zwei Widerstandswerte müssen sich dazu im Wert mindestens so sehr unterscheiden, dass eventuelle Nichtlinearitäten in der Übertragungskennlinie für den Testpunkt kompensiert werden. Dadurch wird aber der Anteil der x-Werte im Datenwort unter Umständen sehr hoch und der Analog-Digital-Wandler kann damit nur relativ ungenau getestet werden, nämlich beginnend vom höchstwertigsten Bit bis zur Bitstelle i + 1, wobei i die höchstwertigste Bitstelle mit dem undefinierten Wert x ist.
  • In der Patentschrift EP-696394 ist demgegenüber ein Verfahren beschrieben, wie man durch zusätzliche Maßnahmen die Genauigkeit eines Analog-Digital-Wandlers erhöhen kann. Das Verfahren korrigiert allerdings den gesamten Übertragungsbereich des Wandlers und ist sehr aufwendig. Eine solche generelle Erhöhung der Genauigkeit ist hier nicht erforderlich, wenn es nur um den Sicherheitsaspekt geht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der einfachen und gezielten Überprüfung eines Analog-Digital-Wandlers mit hoher Genauigkeit.
  • Dieser Vorteil wird durch einen Analog-Digital-Wandler erzielt, der eine Kalibrierungslogik aufweist, mit mindestens einem elektronischen Kalibrierungselement, das mit genau einem Pol mit dem besagten Verbindungspunkt verbunden ist, und die ausgebildet ist, in Ansprechen auf den elektrischen Wert des Ausgangssignals des Komparators mindestens einen zweiten Pol dieses elektronischen Kalibrierungselementes mit mindestens einem der besagten drei Signale zu verbinden, um eine Kalibrierung einer Übertragungskennlinie des Wandlers an wenigstens einen Testpunkt durchzuführen.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Verbesserung der Nichtlinearität des Analog-Digital-Wandlers wenigstens an einem Testpunkt eine entscheidende Hilfe sein kann, um die sicherheitskritischen Anforderungen zu erfüllen. Dies kann durch eine Kalibrierung der Wandler-Übertragungskennlinie z. B. in der Nähe der Mitte des Wandlungsbereiches, also der mittleren Eingangsspannung, erreicht werden. Dadurch wird die Genauigkeit und vor allem die Aussagekraft des Tests deutlich erhöht.
  • Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers besteht deshalb darin, dessen Kalibrierung auf einen bestimmten Testpunkt hin zu ermöglichen. Die Genauigkeit des Tests ist durch die vorangegangene Kalibrierung deutlich höher als im bekannten Stand der Technik, womit auch die Sicherheit in der Anwendung verbessert wird.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des Wandlers sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Danach ist in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass sich die elektrischen Werte der Grund- und der Kalibrierungselemente des Analog-Digital-Wandlers durch einen Multiplikator von 2 unterscheiden und die Werte der untersten zwei Kalibrierungskapazitäten gleich sind. So besitzt das kleinste Element einen elektrischen Wert, welcher der höchsten Auflösung des Wandlers entspricht und damit auch eine Schranke für die Genauigkeit darstellt. Das nächstgrößere Element hat den doppelten Wert und jedes folgende Element hat den doppelten Wert seines Vorgängers. Damit lässt sich der Wandler einem Selbsttest unterziehen, der auf binärer Teilung beruht und besonders effizient und zielgerichtet durchführbar ist. Bevorzugt besteht dabei ein Kalibrierungselement aus mehreren Einzelelementen, die einzeln geschaltet werden können. Dadurch kann der Kalibrierungsbereich erhöht werden. Eine besonders hohe Genauigkeit kann dabei erzielt werden, wenn die elektrischen Werte der Einzelelemente unterschiedlich gewählt sind.
  • Generell können die Grund- und Kalibrierungselemente des Analog-Digital-Wandlers jede Art geeigneter elektronischer Bauteile umfassen. Von Vorteil ist es jedoch, wenn diese als Kapazitäten, Widerstände, Stromquellen, Spannungsquellen oder Transistoren ausgeführt sein. Damit ist der Wandler besonders flexibel auf jeden gewünschten Anwendungsfall anpassbar. Bevorzugt bilden die Grund- und Kalibrierungselemente aber ein Kapazitätsfeld. Diese lassen sich einfach integrieren und zwei Kapazitäten auf einem Chip sind mit relativ großer Genauigkeit im Kapazitätsverhältnis zueinander herstellbar.
  • Alternativ können die Grund- und Kalibrierungselemente ein Stromfeld bilden. Der dargestellte Vorteil der Kapazitäten gilt dabei auch für Stromquellen. Damit kann ein Wandler mit binär gewichteten Stromquellen nach dem gleichen Kalibrierungsprinzip behandelt werden. Ein Vorteil der Stromquellen gegenüber den Kapazitäten ergibt sich bei der Verwendung volldifferentieller Stromquellen, welche gleichzeitig einen Nutz- und einen Dummypfad beinhalten. Zur Wandlung wird eine Kapazität benötigt, welche beiderseits von den Stromquellen im Nutzpfad geladen wird. Damit ist die auf der Kapazität abgelegte Ladung frei von einem Bezugssignal. Der anschließende Vergleich wird von einem volldifferenziellen Komparator durchgeführt. Der erfindungsgemäße Vorteil dieser Anordnung besteht in der Freiheit von dem Bezugssignal, womit eine weitere mögliche Fehlerquelle ausgeschlossen ist. Das Eingangssignal wird dabei vorzugsweise ebenso vollsymmetrisch zugeführt. Das auf die Kapazitäten angewandte Kalibrierungsverfahren bedient sich damit anstelle der Kapazitäten kleiner Gewichte innerhalb der Stromquellen, so dass damit die binären Fehler als Stromkorrekturen behandelt werden. Diese Gewichte können als zusätzliche Transistoren zu Veränderung des Weitenverhältnisses, welches das jeweilige Stromgewicht bestimmen, verstanden werden. Diese Transistoren können mit in Serie zu diesen Transistoren eingefügten Schaltern digital zu- oder weggeschaltet werden, ohne die Genauigkeit zu verletzen. Der vorgeschlagene Test schließt die Erkennung von stuck-at Fehlern oder andere permanenten Fehlern in den betreffenden Bitstellen mit ein. Getestet wird dabei genau ein Punkt der Übertragungskennlinie des Wandlers. Damit sind aber die Toleranzen zwischen dem höchsten Kapazitätswert und der Summe der verbleibenden Kapazitäten feststellbar und durch das Kalibrierungsverfahren korrigierbar. Die größten Kapazitäten besitzen bei einer prozentual gleichen Abweichung die größten absoluten Differenzwerte und genau hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren an. Gravierende Abweichungen in mehreren niederwertigsten Bits, die sich nicht durch die Korrekturkapazitäten kompensieren lassen, werden bei der Kalibrierung festgestellt. Eine Kompensation kann für den Test durch das Schalten der niederwertigsten Bit-Kapazitäten so kompensiert werden, dass die jeweils komplementär geschalteten höheren Bitwerte das Umschalten des Komparators am Testpunkt bewirken können. Damit ist der Wandler nur bezüglich dieser höheren Bitwerte am Arbeitspunkt getestet. Das reicht in der Regel für sicherheitsrelevante Einsatzfälle aus, wo eine Abweichung von wenigen niederwertigsten Bits in der Regel kein Sicherheitsrisiko bedeutet. Der Vorteil des Verfahrens ist dabei, dass keine externen Komponenten benutzt werden und die zusätzlichen Korrekturkomponenten sehr klein sind. Man kann den Wert der zugeschalteten Korrekturkomponenten überwachen und gegebenenfalls die Überschreitung eines Grenzwertes signalisieren oder eine Abschätzung der maximalen Abweichung für alle anderen Wandlungswerte vornehmen.
  • Ein besonders einfacher Aufbau des Analog-Digital-Wandler ist dabei gewährleistet, wenn dessen Selbsttest lediglich erfordert, dass die drei Signale ein Betriebssignal wie z. B. eine Betriebsspannung, ein Bezugssignal wie z. B. Masse, und ein analoges Eingangssignal umfassen. Zusätzlich wird ein gegebenenfalls intern gebildetes Vergleichssignal für den Komparator benötigt.
  • Die vorstehenden Vorteile der Erfindung werden auch durch ein Verfahren erzielt, mit einem ersten Kalibrierungsschritt, bei dem ein Grundelement mit dem höchsten elektrischen Wert mit dem ersten Signal und die verbleibenden Grundelemente mit dem zweiten Signal verbunden werden, und sofern der Ausgang des Komparators ein 'low' anzeigt, nacheinander einzelne Kalibrierungselemente von einem offenen Zustand an das erste Signal geschaltet werden, bis der Ausgang des Komparators ein 'high' anzeigt, und mit einem zweiten Kalibrierungsschritt, bei dem ein Grundelement mit dem höchsten elektrischen Wert mit dem zweiten Signal und die verbleibenden Grundelemente mit dem ersten Signal verbunden werden, und sofern der Ausgang des Komparators ein 'high' anzeigt, nacheinander einzelne Kalibrierungselemente von einem offenen Zustand an das zweite Signal geschaltet werden, bis der Ausgang des Komparators ein 'low' anzeigt, wobei die Kalibrierungsschritte wiederholt werden, ohne jedoch die Stellung der vorher geschalteten Kalibrierungselemente zu verändern, bis beide Kalibrierungsschritte gültig sind.
  • Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch eine Kalibrierung des Analog-Digital-Wandlers beim Selbsttest eine große Anzahl von Bitstellen getestet werden kann. Die Kalibrierungselemente sind mehrfach vorhanden und besitzen einen kleinen elektrischen Wert, um gegebenenfalls nur geringfügig einwirken zu können.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Danach ist in einer bevorzugten Ausprägung des Verfahrens vorgesehen, dass die Kalibrierungsschritte über die Grundelemente hinweg weitergeführt werden, wenn diese Schritte über alle Kalibrierungselemente hinweg ungültig waren. Wenn beide Kalibrierungsbedingungen nicht erfüllbar waren, müssen die mit dem höchstwertigsten Bit geschalteten niederwertigsten Bit-Werte als Ungenauigkeiten des Analog-Digital-Wandlers betrachtet werden. Diese können mit dem Beschalten der Grundelemente korrigiert werden, z. B. wenn noch kein Austausch des Wandlers vorgenommen werden soll.
  • In einem regulären Wandlungsbetrieb des Analog-Digital-Wandlers bleibt in bevorzugter Weise die Beschaltung der Kalibrierungselemente während des Ladens eines Eingangssignals auf die Grundelemente erhalten. Dadurch werden Toleranzen des Wandlers kompensiert, die durch Defekte und Alterungserscheinungen verursacht sein können, welche erst im laufenden Betrieb entstanden und möglicherweise immer größer wurden.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
  • 1 einen bekannten Analog-Digital-Wandler zur Erläuterung der sukzessiven Approximation bei 8 Bit Auflösung;
  • 2 mögliche Übertragungskennlinien des Analog-Digital-Wandlers der 1;
  • 3 Details einer Übertragungskennlinie des Analog-Digital-Wandlers der 1, mit einer idealisierten analogen Kennlinie und einer (idealisierten) realen digitalen Kennlinie;
  • 4 Details einer Übertragungskennlinie des Analog-Digital-Wandlers der 1, mit einer idealisierten analogen Kennlinie und einer (nicht linearen) realen digitalen Kennlinie, und
  • 5 einen erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler mit sukzessiver Approximation bei 8 Bit Auflösung.
  • Die 1 zeigt einen bekannten Analog-Digital-Wandler ADC' zur Erläuterung der sukzessiven Approximation bei 8 Bit Auflösung. Der Wandler ADC' weist dazu ein Feld mit parallel geschalteten Kapazitäten C1a ... C8 (Capacity) auf, die einerseits mit einem Komparator C (Comparator) und andererseits umschaltbar zwischen einer Betriebs- oder Versorgungsspannung Vdd, einer Masse Vss und einer Vergleichsspannung Vm bzw Eingangsspannung Vin umschaltbar sind. Jede der Kapazitäten C1b, C2, C3 ... C8 weist dabei den doppelten elektrischen Wert ihres jeweiligen Vorgängers auf. Die Kapazität C1a hat den gleichen Wert wie die Kapazität C1b. Die Kapazität C1a bleibt bei einem Abgleichsvorgang an das Bezugspotential (Masse) geschaltet.
  • Die Wandlung der angelegten Eingangsspannung Vin in ein Digitalwort beginnt mit der Initialisierung des Wandlers ADC', bei der alle Kapazitäten C1a ... C8 an die Vergleichsspannung Vm gelegt werden und der Komparator C abgeglichen wird. Die Vergleichsspannung soll hier als Mittenspannung Vm = Vdd/2 gewählt sein. Anschließend wird die Eingangsspannung Vin auf alle Kapazitäten C1a ... C8 und ihr Gegenpol auf diese Mittenspannung Vm gelegt. In einem Vorabgleich wird dann die Mittenspannung Vm und die Komparator-Initialisierung abgeschaltet. Beim eigentlichen Abgleich werden zunächst die Kapazitäten C1a ... C7 an Masse Vs und die Kapazität C8 an die Betriebsspannung Vdd gelegt. Erkennt der Komparator C auf ein Ausgangssignal out = 'high', wird die Kapazität C8 auf Masse Vss geschaltet. Der Abgleich wird fortgeführt, indem die Kapazitäten C1a ... C6 an Masse Vss und C7 an die Betriebsspannung Vdd gelegt werden und die Schaltung von C8 nach dem vorhergehenden Schritt erhalten bleibt. Erkennt der Komparator auf das Ausgangssignal out = 'high', wird die Kapazität C7 an Masse C7 gelegt. Der Abgleich wird sukzessive weitergeführt bis zur Kapazität C1b, während das jeweilige Ausgangssignal des Komparators C beobachtet und entsprechend geschaltet wird. Im Ergebnis kennzeichnet die Stellung der Schalter an den Kapazitäten C1a ... C8 das approximierte Digitalwort.
  • Die 2 zeigt mögliche Übertragungskennlinien F0 ... F4 (Function) des Analog-Digital-Wandlers ADC' der 1. Die nichtlinearen Übertragungskennlinien F1 und F4 können z. B. auf Grund von Alterungserscheinungen oder Fertigungstoleranzen des Wandlers ADC' entstehen, während F0 eine optimale lineare Kennlinie darstellt. Zur Durchführung eines aussagekräftigen Tests ist es nun notwendig, die Kennlinien F1 und F4 zumindest in einem Testpunkt wie z. B. Vm = Vdd/2 mehr an die ideale Kennlinie anzunähern, um ein akzeptables digitales Ausgangssignal Vout am Komparator C zu erhalten. Derart korrigierte Kennlinien sind mit F2 und F3 bezeichnet.
  • Die 3 zeigt Details einer Übertragungskennlinie F0 des Analog-Digital-Wandlers ADC' der 1, mit einer idealisierten analogen Kennlinie F0 und einer (idealisierten) realen digitalen Kennlinie F0'. Ist die Übertragungskennlinie F0' des ADC' ideal wie in dieser Figur, so erhält man für den ersten eingestellten Digitalwert das Ausgangssignal out = 'high' und für den zweiten Digitalwert out = 'low'. Im Falle einer nichtlinearen Übertragungskennlinie F1 oder F4 erhält man unter Umständen zweimal das gleiche Ausgangssignal am Komparator C.
  • Die 4 zeigt Details einer Übertragungskennlinie des Analog-Digital-Wandlers ADC' der 1, mit einer analogen Kennlinie F0 und einer (nicht linearen) realen digitalen Kennlinie F0'. Ist die Übertragungskennlinie F0' des ADC' nicht linear wie in dieser Figur, so erhält man für den ersten und zweiten eingestellten Digitalwert das Ausgangssignal out = 'low'.
  • Die 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler ADC mit sukzessiver Approximation bei 8 Bit Auflösung. Der Wandler ADC verfügt über ein Feld von Kapazitäten C1a ... C8 mit jeweils verdoppeltem elektrischen Wert und C1a = C1b. Zum erfindungsgemäßen Test werden die integrierten Kapazitäten C1b ... C8 des Wandlers ADC selbst gezielt so umgeschaltet, dass einmal der Digital-Wert 1000...0 und zum anderen der Wert 0111...1 eingestellt wird. Die Kapazität C1a bleibt dabei an Masse und nur die Schaltpositionen der anderen Kapazitäten bestimmen den Digitalwert.
  • Der Test des Wandlers ADC erfolgt anhand von zwei Messungen am Umschaltpunkt des höchstwertigsten Bits, in Relation zur größten Kapazität C1a ... C8 des Wandlers ADC. Durch eine Kalibrierungslogik L (Logic), die zusätzliche Kalibrierungskapazitäten Ck1 ... Ckn aufweist, kann dessen Übertragungskennlinie im Falle einer Nichtlinearität gezielt an den betreffenden Arbeitspunkt für den Wandlungswert Vm korrigiert werden. Vorliegend werden 4 Korrekturkapazitäten mit Werten mit jeweils entsprechend zu 1/4 LSB, 1/2 LSB ... 2 LSB benutzt. Damit wird erreicht, dass die in 2 gezeigten, nichtlinearen Übertragungskennlinien F1 und F4 zumindest im Mittelpunkt mehr an die ideale Kennlinie angenähert werden. Man erhält durch die Korrektur Kennlinien wie F2 und F3. In der Regel sind die Abweichungen in Bruchteilen oder wenigen Vielfachen eines niederwertigsten Bits beschrieben.
  • Zur Initialisierung werden dabei zunächst wieder alle Kapazitäten C1a ... C8 beiderseitig an die Vergleichsspannung Vm gelegt und der Komparator C abgeglichen, wie dies bereits bekannt ist. Die Betzugsspannung soll hier wieder als Mittenspannung Vm = Vdd/2 gewählt sein. Da vorher alle Kapazitäten entladen und da eine Eingangsspannung immer gegen die Mittenspannung Vm auf die Kapazitäten C1a ... C8 geschaltet wird, sowie der Komparator C auf diesen Wert abgeglichen ist, entspricht der weitere Kalibrierungsvorgang der Wandlung von dem Wert Vm. Dieser Wert Vm ist eine intern durch Spannungsteilung gewonnene Vergleichsspannung, die möglichst genau dem halben Spannungswert der Betriebsspannung Vdd entsprechen soll.
  • Nachfolgend wird in einem ersten Kalibrierungsschritt die Kapazität C8 mit der Betriebsspannung und die verbleibenden Kapazitäten C1a ... C7 mit der Masse verbunden, und sofern der Ausgang des Komparators C ein out = 'low' anzeigt, nacheinander einzelne Kalibrierungselemente Ck1 ... Ckn von einem offenen Zustand an die Betriebsspannung Vdd geschaltet, bis der Ausgang des Komparators C ein out = 'high' anzeigt. In einem weiteren zweiten Kalibrierungsschritt wird die Kapazität C8 mit der Masse und die verbleibenden Kapazitäten C1a ... C7 mit der Betriebsspannung Vdd verbunden, und sofern der Ausgang des Komparators C ein out = 'high' anzeigt, nacheinander einzelne Kalibrierungselemente Ck1 ... Ckn von einem offenen Zustand an die Masse Vss geschaltet, bis der Ausgang des Komparators C ein out = 'low' anzeigt. Beide Schritte werden wiederholt, bis für eine feste Beschaltung aller i Kapazitäten Cki beide Bedingungen erfüllt sind. Dazu werden gegebenenfalls die Kapazitäten C1b, C2 usw mit dem Wert von C8 beschaltet, wenn sonst die Bedingungen ansonsten nicht beide erfüllbar sind. Die mit dem höchstwertigsten Bit geschalteten niederwertigsten Bit-Werte müssen dann als Ungenauigkeiten des Wandlers ADC betrachtet werden.
  • Mit dem vorstehend beschriebenen Kalibrierungsvorgang werden auch Abweichungen der Mittenspannung Vm ausgeglichen. Werden zudem volldifferentielle Stromquellen verwendet, ist der Vergleichsspannungsfehler vernachlässigbar gering. Da zunächst alle Kapazitäten C1a ... C8 entladen werden und der Komparator C auf den Wert von Vm eingestellt wird, beziehen sich alle Messungen auf diesen Vergleichswert. Im ersten Kalibrierungsschritt wird eine kapazitive Spannungsteilung von C8 zu der Summe C1a/b ... C7 vorgenommen. Der dabei erreichte Spannungswert wird mit der Vergleichsspannung Vm verglichen, auf den der Komparator vorher abgeglichen wurde. Da die Kapazitätswerte von C8 und die Summe der restlichen Kapazitäten C1a ... C8 den gleichen Sollwert besitzen, unterscheiden sie sich im fehlerfreien Fall nur durch fertigungsbedingte Toleranzen. Sind diese Toleranzen kleiner als der Kapazitätswert C1a, so ist der Spannungswert am Komparator C im ersten Kalibrierungsschritt höher als im zweiten Kalibrierungsschritt. In der Regel wird sich das Ausgangssignal out des Komparators C für diese beiden Fälle voneinander unterscheiden. Im ersten Kalibrierungsschritt wird dabei out = 'high' erwartet und im zweiten Kalibrierungsschritt out = 'low'. Durch Nichtlinearitäten in der Übertragungskennlinie kann es aber auch sein, dass beide Werte kleiner oder beide größer als Vm sind, so dass der Komparator C zweimal auf 'high' oder zweimal auf 'low' entscheidet. In diesem Fall werden die Kalibrierungskapazitäten Ck1 ... Ckn gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren so angesteuert, dass der Komparator C bei der Umschaltung zwischen den zwei Eingangswerten den Ausgangswert out wie oben beschrieben wechselt. Nur für den Fall, dass die Fertigungstoleranzen höher sind als oben beschrieben oder ein Defekt vorliegt, kann der Spannungswert am Komparatoreingang im ersten Kalibrierungsschritt niedriger sein als im zweiten Kalibrierungsschritt. In einem solchen Fall erhält man unter Umständen keine Lösung ohne die niederwertigste Bit-Kapazität C1b mit C8 gemeinsam zu schalten, oder im Extremfall sogar noch weitere Kapazitäten C2 ... C7. Diese stellen dann eine Ungenauigkeit des Wandlers ADC dar, die umso größer ist, umso mehr höherwertige Bit-Kapazitäten geschaltet werden, um die gewünschte Wirkung am Komparator C zu erzielen.
  • Da die Toleranzen durch Defekte und Alterungserscheinungen verursacht sein können, die erst im laufenden Betrieb entstehen und gegebenenfalls sogar immer größer werden, kann man auf den Test solcher Effekte in der sicherheitskritischen Anwendung nicht verzichten. Das Maß der Abweichung vom Sollwert ist dann durch die zusätzlich geschalteten niederwertigen Bit-Kapazitäten bestimmt. Anhand dieser Messergebnisse im Rahmen der Kalibrierung kann eine Entscheidung getroffen werden, ob der Wandler ADC möglicherweise nicht mehr ausreichend genau genug für den sicherheitskritischen Einsatz arbeitet. Die Grenzen und Kriterien für eine solche Einschätzung werden durch die Anwendung bestimmt. Es kann auch sein, dass die Menge und der Wertebereich der Korrekturkapazitäten nicht ausreichend sind, um zum Beispiel die Abweichung des Mittenpotenzials Vm zu kompensieren. Auch in diesem Fall wird genau überprüft, ob der Wandler ADC noch für den geplanten Zweck einsatzfähig ist. Zumindest ist durch das zusätzliche Schalten von niederwertigen Bit-Kapazitäten zu prüfen, ob der Komparator C überhaupt seinen Wert am Ausgang wechselt und der Wandler ADC sollte auch hinsichtlich des Ausreichens seiner Genauigkeit noch besser getestet werden. Schon vor dem geplanten Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens wird deshalb genau geprüft, welche Anforderungen bezüglich der Sicherheit an den Selbsttest gestellt werden und dementsprechend sind Anzahl und Wertebereich der Kalibrierungskapazitäten vorzusehen.
  • Die beschriebene Kalibrierung kann auf alle niederwertigsten Bits sinngemäß angewandt werden. Für jedes dieser Bits gilt nämlich das binäre Teilungsgesetz, so dass auch hier wiederum die Halbebenenspiegelung eines Fehlers vorliegen kann. Dadurch ist neben dem vorzugsweise einfachen höherwertigsten Bit-Abgleich auch ein feinerer Abgleich bis hinunter zum niederwertigsten Bit mit moderatem Aufwand möglich. Man kann also die Umschaltpunkte bei Vdd/4, Vdd/8 usw nach dem gleichen Verfahren testen. Für diese Abgleichvarianten wird jedoch jeweils ein zusätzliches Testsignal Vdd/4, Vdd/8 benötigt. Dieses Testsignal kann intern erzeugt werden oder extern bereitgestellt werden. Nach dem Laden der Kapazitäten C1a ... C8 mit dem Testsignal Vdd/4 wird dann beispielsweise der Digitalwert 0100...0 eingestellt und danach 0011...1 und der Komparator C entsprechend getestet.
  • Zur sukzessiven Approximation von Eingangssignalen wird der Abgleich des Wandlers ADC so fortgeführt, wie dies für den bekannten Wandler ADC' schon vorstehend beschrieben wurde. Zum Laden des erfindungsgemäßen ADC wird dabei wieder die Eingangsspannung Vin auf alle Kapazitäten C1a ... C8 und der Gegenpol auf die Mittenspannung Vm, wobei aber die Cki-Werte wie kalibriert für den weiteren Ablauf des Verfahrens belassen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102005050768 [0003]
    • - EP 696394 [0004]

Claims (12)

  1. Digital-Analog-Wandler (ADC), mit mindestens zwei elektronischen Grundelementen (C1a ... C8), die an genau einem Pol miteinander verbunden sind, und dieser Verbindungspunkt mit dem Eingang eines Komparators (C) verbunden ist, und durch Verbinden mindestens eines weiteren Pols von jedem der besagten elektronischen Grundelemente (C1b ... C8) mit jeweils einem von mindestens drei Signalen an dem besagten Verbindungspunkt eine elektrische Größe erzeugbar ist, die mit einer vorgegebenen zweiten elektrischen Größe in dem Komparator (C) vergleichbar ist, und die Werte der besagten elektronischen Grundelemente (C1b ... C8) einem Digitalwort zuordenbar sind, gekennzeichnet durch eine Kalibrierungslogik (L), mit mindestens einem elektronischen Kalibrierungselement (Ck1 ... Ckn), das mit genau einem Pol mit dem besagten Verbindungspunkt verbunden ist, und die ausgebildet ist, in Ansprechen auf den elektrischen Wert des Ausgangssignals des Komparators (C) mindestens einen zweiten Pol dieses elektronischen Kalibrierungselementes (Ck1 ... Ckn) mit mindestens einem der besagten drei Signale zu verbinden, um eine Kalibrierung einer Übertragungskennlinie (F0 ... F4) des Wandlers (ADC) an wenigstens einen Testpunkt durchzuführen.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der sich die elektrischen Werte der Grund- und der Kalibrierungselemente (C1b ... C8, Ck1 ... Ckn) durch einen Multiplikator von 2 unterscheiden und die Werte der untersten zwei Kalibrierungskapazitäten (C1a, C1b) gleich sind.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Kalibrierungselement (Ck1 ... Ckn) aus mehreren Einzelelementen besteht, die einzeln geschaltet werden können.
  4. Anordnung nach Anspruch 3, bei der die elektrischen Werte der Einzelelemente unterschiedlich gewählt sind.
  5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Grund- und Kalibrierungselemente (C1a ... C8, Ck1 ... Ckn) Kapazitäten, Widerstände, Stromquellen, Spannungsquellen oder Transistoren sind.
  6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Grund- und Kalibrierungselemente (C1a ... C8, Ck1 ... Ckn) ein Kapazitätsfeld bilden.
  7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Grund- und Kalibrierungselemente (C1a ... C8, Ck1 ... Ckn) ein Stromfeld bilden.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, bei der das Stromfeld volldifferentiell ausgebildet ist.
  9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die drei Signale ein Betriebssignal (Vdd), ein Bezugssignal (Vss) und ein analoges Eingangssignal (Vin) sind.
  10. Verfahren zur Kalibrierung eines Digital-Analog-Wandlers (ADC) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Initialisierungsschritt, bei dem die Grund- und Kalibrierungselemente (C1a ... C8, Ck1 ... Ckn) sowie der Komparator (C) in einen Bezugszustand gebracht werden, gekennzeichnet durch einen ersten Kalibrierungsschritt, bei dem ein Grundelement (C1a ... C8) mit dem höchsten elektrischen Wert mit dem ersten Signal und die verbleibenden Grundelemente (C1a ... C8) mit dem zweiten Signal verbunden werden, und sofern der Ausgang des Komparators (C) ein 'low' anzeigt, nacheinander einzelne Kalibrierungselemente (Ck1 ... Ckn) von einem offenen Zustand an das erste Signal geschaltet werden, bis der Ausgang des Komparators (C) ein 'high' anzeigt, und einen zweiten Kalibrierungsschritt, bei dem ein Grundelement (C1a ... C8) mit dem höchsten elektrischen Wert mit dem zweiten Signal und die verbleibenden Grundelemente (C1a ... C8) mit dem ersten Signal verbunden werden, und sofern der Ausgang des Komparators (C) ein 'high' anzeigt, nacheinander einzelne Kalibrierungselemente (Ck1 ... Ckn) von einem offenen Zustand an das zweite Signal geschaltet werden, bis der Ausgang des Komparators (C) ein 'low' anzeigt, wobei die Kalibrierungsschritte wiederholt werden, ohne jedoch die Stellung der vorher geschalteten Kalibrierungselemente (Ck1 ... Ckn) zu verändern, bis beide Kalibrierungsschritte gültig sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Kalibrierungsschritte über die Grundelemente (C1a ... C8) hinweg weitergeführt werden, wenn diese Schritte über alle Kalibrierungselemente (Ck1 ... Ckn) hinweg ungültig waren.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die Beschaltung der Kalibrierungselemente (Ck1 ... Ckn) während des Ladens eines Eingangssignals (Vin) auf die Grundelemente (C1a ... C8) erhalten bleibt.
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