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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Digital-Analog-Wandlerschaltung (D/A-Wandler) sowie ein Verfahren zur Fehlererkennung in einer Digital-Analog-Wandlerschaltung.
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Stand der Technik
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Digital-Analog-Wandler bzw. Digital-Analog-Umsetzer (DAU bzw. DAC) sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt und werden immer dann eingesetzt, wenn digitale Zahlenwerte, die z. B. in einem Speicherbaustein abgelegt sind, in (quasi)analoge Spannungen umgesetzt werden müssen.
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Ein Fehler in einem DAU führt oft zu Funktionsstörungen der gesamten Schaltung. Garantiert ein Chip-Hersteller gewisse maximale Fehlerraten, kann dies gegebenenfalls nur durch den Einsatz von Fehlererkennungs- bzw. Testschaltungen eingehalten werden.
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In der
US 5 583 502 A ist eine solche D/A-Testschaltung gezeigt, bei der für den Test mehrere D/A-Wandler benötigt werden, was zu einem relativ hohen Hardware-Aufwand führt. Auch kann bei der dort offenbarten Schaltung kein Test während des normalen Betriebs durchgeführt werden. Vielmehr werden Testsignale an spezielle Testanschlüsse angelegt, um die Funktionalität der D/A-Wandler zu überprüfen.
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Es ist daher wünschenswert, die Fehlererkennung in einer D/A-Wandlerschaltung zu vereinfachen und insbesondere online, d. h. zur Laufzeit, verfügbar zu machen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Digital-Analog-Wandlerschaltung sowie ein Verfahren zur Fehlererkennung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung fußt auf dem Gedanken, dass eine einfache und insbesondere online durchzuführende Fehlererkennung bereitgestellt werden kann, wenn eine Anzahl von Bereichen, die die Gesamtamplitude des Ausgangssignals überspannen, vorgegeben wird und überprüft wird, ob sich das analoge Ausgangssignal in einem Bereich bewegt, der auf Grund des digitalen Eingangssignals zu erwarten ist. Eine derartige Schaltung lässt sich in Hardware besonders einfach ausführen, da zusätzlich zu der ohnehin vorhandenen D/A-Wandlerschaltung im Wesentlichen lediglich eine Anzahl von Logikgattern, Schaltern und gegebenenfalls Operationsverstärkern benötigt wird. Insbesondere ist zur Überprüfung eines D/A-Wandlers kein zusätzlicher D/A-Wandler nötig. Durch die Unterteilung in Bereiche werden im Wesentlichen Fehler der jeweils höhenwertigen Bits erkannt, da diese im Wesentlichen die Zugehörigkeit zu einem Bereich vorgeben. Somit kann eine besonders unaufwendige Fehlererkennung bereitgestellt werden. Es ist möglich, online, d. h. im Wesentlichen während der D/A-Wandlung, Fehler zu erkennen, welche in den höhenwertigen Bits auftreten und somit das Ausgangssignal besonders stark verfälschen.
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Eine erfindungsgemäße Digital-Analog-Wandlerschaltung umfasst eine Anzahl von Teilschaltungen, welche auch gemeinsame Bauelemente umfassen können. Insbesondere ist es möglich, dass mehrere Teilschaltungen ganz oder teilweise durch eine Schaltung realisiert sind.
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Die Teilschaltung zum Wandeln eines digitalen Signals in eine analoge Spannung kann beispielsweise ein R2R-Netwerk umfassen. Es versteht sich jedoch, dass alle Arten von D/A-Umsetzern als Teilschaltung der erfindungsgemäßen D/A-Wandlerschaltung geeignet sind.
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Vorzugsweise umfasst die Teilschaltung zum Bestimmen des Bereiches, in dem die analoge Spannung liegt, wenigstens einen Fensterkomparator. Es können dabei ein umschaltbarer Fensterkomparator oder eine Anzahl von Fensterkomparatoren mit festen Grenzspannungen verwendet werden. Fensterkomparatoren bieten eine einfach bereitzustellende Möglichkeit, die maximale Amplitude eines analogen Signals bzw. einer analogen Spannung in eine Anzahl von Bereichen zu unterteilen. Die Fensterkomparatoren sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie an ihrem Ausgang eine logische Eins bereitstellen, wenn die analoge Spannung im betreffenden Spannungsbereich des Fensterkomparators liegt. Ein umschaltbarer Fensterkomparator bietet den Vorteil, weniger Fläche auf dem Baustein zu benötigen als eine entsprechende Anzahl nicht umschaltbarer Komparatoren.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schaltplan einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen D/A-Wandlerschaltung.
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2 zeigt einen Schaltplan einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen D/A-Wandlerschaltung.
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3 zeigt einen Schaltplan einer möglichen Ausführungsform eines Fensterkomparators.
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4 zeigt eine mögliche Unterteilung einer analogen Ausgangsspannung in eine Anzahl von Bereichen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist ein Schaltplan einer ersten bevorzugten Ausführungsform 100 einer erfindungsgemäßen D/A-Wandlerschaltung dargestellt. Die D/A-Wandlerschaltung wandelt ein digitales Signal d in eine analoge Spannung Uout. Sie weist dazu eine erste Teilschaltung 110 zum Umwandeln des digitalen Signals d in die analoge Spannung Uout auf. Die erste Teilschaltung 110 kann beispielsweise als R2R-Netzwerk ausgeführt sein oder eine beliebige andere Art eines DAUs umfassen.
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Zur Überprüfung bzw. Fehlererkennung weist die D/A-Wandlerschaltung 100 überdies eine zweite Teilschaltung 120 zum Bestimmen eines ersten Bereiches, in dem das digitale Signal d liegt, eine dritte Teilschaltung 130 zum Bestimmen eines zweiten Bereiches, in dem die analoge Spannung Uout liegt, sowie eine vierte Teilschaltung 140 zum Vergleichen des ersten und des zweiten Bereiches auf. Die D/A-Wandlerschaltung 100 weist weiterhin eine fünfte Teilschaltung 150 zur Bereitstellung eines Fehlersignals f anhand einer Bewertung des Ausgabe der vierten Teilschaltung 140 auf.
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Die zweite Teilschaltung
120 ist hier als Selektor ausgebildet, welcher einen Eingang sowie im gezeigten Beispiel drei Ausgänge s1, s2 und s3 aufweist. Der Selektor ist dazu eingerichtet, den ersten Bereich zu bestimmen, in dem das digitale Signal d liegt. Er ist dazu intern beispielsweise aus einer Anzahl von Logikgattern ausgebildet, um – für das vorliegende Beispiel eines 3 Bit-Digitalsignals d (d0, d1, d2) – die folgende Wahrheitstabelle bereitzustellen:
| Digitales Signal | Selektor | Bereich |
| d2 | d1 | d0 | s3 | s2 | s1 | |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 3 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
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Die Zuordnung der Digitalwerte zu Bereichen bleibt dem Fachmann überlassen.
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Die dritte Teilschaltung 130 ist dazu ausgebildet, den zweiten Bereich zu bestimmen, in dem die analoge Spannung Uout liegt. Die dritte Teilschaltung 130 umfasst im gezeigten Beispiel drei Fensterkomparatoren 131, 132 und 133, für die unterschiedliche Spannungsfenster vorgesehen sind. Die Spannungsfenster bzw. Spannungsbereiche der Fensterkomparatoren 131, 132 und 133 sind zweckmäßigerweise so eingerichtet, dass sie den möglichen Spannungsausgabebereich (0 –Umax) des DAU 110 aufspannen. Eine hierzu beispielsweise mögliche Ausführungsform wird später anhand 3 erläutert. Die Fensterkomparatoren 131 bis 133 zeigen an ihrem jeweiligen Ausgang c1, c2 bzw. c3 an, ob die Eingangsspannung Uout im jeweilig zugeordneten Spannungsfenster liegt. Liegt die Spannung Uout im jeweiligen Spannungsfenster, wird an dem zugehörigen Ausgang c1, c2 bzw. c3 das Signal ”1” ausgegeben, ansonsten das Signal ”0”.
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Die vierte Teilschaltung 140 ist dazu ausgebildet, den ersten Bereich mit dem zweiten Bereich zu vergleichen. Sie weist dazu im gezeigten Beispiel drei UND-Gatter 141, 142, 143 auf, die jeweils mit einem der Ausgänge s1, s2, s3 der zweiten Teilschaltung 120 sowie mit einem der Ausgänge c1, c2, c3 der dritten Teilschaltung 130 verbunden sind. Die vierte Teilschaltung 140 weist im gezeigten Beispiel wiederum drei Ausgänge b1, b2, b3 auf, um das Ergebnis des Vergleiches anzuzeigen.
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Die fünfte Teilschaltung 150 ist hier als Detektor zu Erzeugung des Fehlersignals f basierend auf der Ausgabe b1, b2, b3 der vierten Teilschaltung 140 ausgebildet. Der Detektor 150 erzeugt dabei beispielsweise anhand einer weiteren Wahrheitstabelle das Fehlersignal. Im gezeigten Beispiel arbeitet die Schaltung genau dann fehlerfrei, wenn nur eines der Eingangssignale b0, b1, b2 aktiv bzw. ”1” ist.
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Dies wird durch die nachfolgende Wahrheitstabelle des Detektors dargestellt.
| b2 | b1 | b0 | f |
| 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 |
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Die Schaltung 100 erkennt diejenigen Fehler bei der D/A-Wandlung, bei welchen höhenwertige Bits verfälscht sind. Soll z. B. der Wert d = 7d = 111b gewandelt werden und wird das MSB (most significant bit) verfälscht, weil im entsprechenden Strompfad z. B. ein Haftfehler aufgetreten ist, so wird der falsche Wert 011b = 3d gewandelt. Dies führt zu s1 = 1 und c3 = 1. Alle anderen Signale ci und si sind Null. Dies führt dazu, dass alle Signale bi (i = 1...3) Null sind, so dass der Detektor in diesem Fall einen Fehler ausgibt.
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Mögliche Grenzspannungen der drei Komparatoren 131, 132 und 131 werden weiter unten anhand 4 erläutert. Diese Grenzspannungen können, wie nachfolgend anhand 3 erläutert, über interne Widerstände der einzelnen Fensterkomparatoren eingestellt werden.
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In 3 ist ein Schaltplan eines für die Erfindung verwendbaren Fensterkomparators 300 dargestellt. Der Fensterkomparator wird von einer Versorgungsspannung Uref gegen Masse GND versorgt. Der Fensterkomparator 300 weist einen Eingang für ein Eingangsspannungssignal Uin auf, das gegenüber einem durch drei Widerstände R1, R2, R3 definiertem Spannungsfenster geprüft wird. Das Spannungssignal Uin wird dazu an einen invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 301 und an einem nicht-invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 302 geführt. Die Ausgänge der Operationsverstärker 301 und 302 sind mit einem UND-Gatter 303 verbunden, welches anhand eines Vergleiches der Ausgangssignale der Operationsverstärker 301 und 302 ein Ausgangssignal y des Fensterkomparators 300 bereitstellt.
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Der Durchlassbereich des Fensterkomparators wird über die komparatorinterne Widerstände R1, R2 und R3 festgelegt. Für die Grenzspannungen des Komparators gilt:
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Für das digitale Ausgangssignal y des Fensterkomparators gilt dann:
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Der Bereich zwischen den Spannungen U1 und U2 ist das sogenannte Fenster. Der Fensterkomparator liefert am Ausgang ”1”, wenn sich das Eingangssignal Uin innerhalb des Fensterbereichs befindet und ansonsten ”0”. Das Signal y entspricht den Signalen c1, c2 bzw. c3 gemäß 1 bzw. dem Signal f gemäß 2.
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Eine alternative Ausführungsform 200 einer erfindungsgemäßen D/A-Wandlerschaltung ist in 2 dargestellt. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zur Schaltung 100 gemäß 1 erläutert. Die Schaltung 200 unterscheidet sich von der Schaltung 100 gemäß 1 insbesondere dadurch, dass ein umschaltbarer Fensterkomparator eingesetzt wird.
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Der Fensterbereich dieses Komparators ist variabel und kann durch Zu- oder Wegschalten verschiedener Widerstände R1, R2, R2', R2'', R3, R3', R3'' verändert werden. Aus den Widerständen zusammengesetzte Spannungsteiler werden durch die hier als Fensterselektor 220 ausgebildete zweite Teilschaltung zu- oder weggeschaltet.
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Der Fensterselektor
220 bestimmt analog dem Selektor
120 gemäß
1 aus dem digitalen Eingangssignal d das gerade gültige Fenster und gibt entsprechende Signal an seinen Ausgängen ws1 und ws2 aus. Er ist dazu intern beispielsweise aus einer Anzahl von Logikgattern ausgebildet, um – für das vorliegende Beispiel eines 3 Bit-Digitalsignals d (d0, d1, d2) – die folgende Wahrheitstabelle bereitzustellen:
| Digitales Signal | Fensterselektor | Bereich |
| d2 | d1 | d0 | ws2 | ws1 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 3 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 2 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
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Die Einteilung des Wertebereiches des D/A-Wandlers in Unterbereiche entspricht hier der Einteilung gemäß 1.
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Die dritte Teilschaltung zum Bestimmen des zweiten Bereiches, in dem die analoge Spannung Uout liegt, die vierte Teilschaltung zum Vergleichen des ersten und des zweiten Bereiches und die fünfte Teilschaltung zur Bereitstellung des Fehlersignals f sind hier in einer gemeinsamen Schaltung 230 realisiert.
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Die Schaltung 230 umfasst den umschaltbaren Fensterkomparator, der die Widerstände R1, R2, R2', R2'', R3, R3', R3'', zwei Operationsverstärker 231 und 232 sowie ein UND-Gatter 233 aufweist. Die Funktionsweise eines Fensterkomparators wird weiter unten anhand 3 erläutert.
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Der Fensterkomparator ist umschaltbar, wobei die jeweiligen Grenzspannungen durch die Widerstände gemäß dem nachfolgenden Gleichungssystem eingestellt werden:
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Eine mögliche Einstellung der Spannungen Uij wird nachfolgend anhand 4 erläutert.
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In 4 ist eine mögliche Spannungsunterteilung für einen 3 Bit-Digitalwert in einem Diagramm 400 dargestellt. Darin ist die erwünschte analoge Ausgangsspannung Uout auf einer Ordinate 402 gegen den digitalen Eingangswert d einer 3 Bit-Zahl auf einer Abszisse 401 aufgetragen. Der 3 Bit-Digitalwert kann acht (0–7) mögliche Spannungen darstellen. Zur Vereinfachung ist im vorliegenden Beispiel zugleich eine Spannungsunterteilung von 1 V vorgesehen, so dass die analoge Spannung in Volt dem Zahlenwert des digitalen Eingangssignals entsprechen sollte. Bei der hier dargestellten Ausführungsform wird eine Unterteilung in drei erste (digitale) Bereiche 411, 412 und 413 sowie entsprechend drei zweite (analoge) Bereiche 421, 422, 423 vorgenommen. Es versteht sich, dass auch eine kleinere oder größere Anzahl von möglichen Bereichen vorgesehen werden kann.
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Im gezeigten Beispiel sind die ersten Bereiche
411 bis
413 so ausgebildet, dass diese jeweils zwei oder drei Digitalwerte umfassen. So umfasst der Bereich
411 die Wert 7 und 6, der Bereich
412 die Werte 5, 4 und 3 sowie der Bereich
413 die Werte 2, 1 und 0. Die zweiten (analogen) Bereiche
421,
422 und
423 werden durch ihre jeweiligen Grenzspannungen U
11–U
12, U
21–U
22 und U
31–U
32 definiert. Im vorliegenden Beispiel wurde folgende Grenzspannungen gewählt:
| Bereich | Untere Grenzspannung | Obere Grenzspannung |
| 421 | U11 = 5,9 V | U12 = 7,1 V |
| 422 | U21 = 3,9 V | U22 = 5,1 V |
| 423 | U31 = 0 V | U32 = 3,1 V |
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In 1 wäre der Bereich 421 dem Fensterkomparator 131, der Bereich 422 dem Fensterkomparator 132 und der Bereich 423 dem Fensterkomparator 133 zugeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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