DE102011004895A1 - Electronic circuit arrangement for converting analog input signal into digital output signal in automotive industry, has charge subtraction device removing predetermined charge amount from capacitor in response to output signal - Google Patents
Electronic circuit arrangement for converting analog input signal into digital output signal in automotive industry, has charge subtraction device removing predetermined charge amount from capacitor in response to output signal Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Konvertierung von analogen elektrischen Signalen in digitale Signale. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine elektronische Schaltungsanordnung mit einer Abtast-Halte-Schaltung und mit einem Analog-zu-Digital-Wandler zum Konvertieren eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Konvertieren eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal mittels einer derartigen elektronischen Schaltungsanordnung.The invention relates to the technical field of converting analog electrical signals into digital signals. In particular, the present invention relates to an electronic circuit arrangement having a sample-and-hold circuit and an analog-to-digital converter for converting an analog input signal into a digital output signal. The present invention further relates to a method of converting an analog input signal into a digital output signal by means of such an electronic circuit arrangement.
Ein Analog-zu-Digital-Wandler (ADW, engl. ADC für Analog-to-Digital-Converter), setzt nach unterschiedlichen Methoden analoge Eingangssignale in digitale Daten bzw. einen Datenstrom um, der dann digital weiterverarbeitet oder gespeichert werden kann. Im Zeitalter der fortschreitenden Digitalisierung wird in verschiedensten Technikbereichen wie u. a. der Automobiltechnik eine Vielzahl von ADWs für verschiedenste Anwendungen eingesetzt.An analog-to-digital converter (ADC) uses different methods to convert analog input signals into digital data or a data stream, which can then be digitally processed or stored. In the age of progressive digitization, a wide variety of technical fields, such as u. a. In automotive engineering a variety of ADWs are used for a wide variety of applications.
Die Auflösung eines ADWs hängt sowohl vom Messbereich, als auch von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Bits ab. Die maximal zu messende Spannung definiert den zu messenden Bereich. Um die kleinste Auflösung zu erhalten, wird der Messbereich durch die Anzahl der Bits geteilt. Bei einem Messbereich von z. B. 3 Volt und einer Auflösung von 12-Bit ergibt sich somit eine Auflösung von 3 V:4096 = 732,42 μV pro Bit. Da der zu erfassende Messbereich einer Analog-Digital-Wandlung typischerweise nicht eingeschränkt werden kann, bleibt zur Erhöhung der Auflösung einer Analog-Digital-Wandlung nur noch eine Erhöhung der Anzahl der verwendeten Bits.The resolution of an ADC depends on both the measuring range and the number of available bits. The maximum voltage to be measured defines the area to be measured. To get the smallest resolution, the measurement range is divided by the number of bits. At a measuring range of z. B. 3 volts and a resolution of 12-bit thus results in a resolution of 3 V: 4096 = 732.42 μV per bit. Since the range of measurement of an analog-to-digital conversion to be detected can not typically be restricted, increasing the resolution of an analog-to-digital conversion will only increase the number of bits used.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auflösung einer Analog-Digital-Wandlung auf einfache Weise zu erhöhen.The invention has for its object to increase the resolution of an analog-to-digital conversion in a simple manner.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Schaltungsanordnung zum Konvertieren eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal beschrieben. Die beschriebene elektronische Schaltungsanordnung weist auf (a) einen Eingangsanschluss zum Zuführen des zu konvertierenden analogen Eingangssignals, (b) eine Abtast-Halte-Schaltung, welche eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss verbunden ist und welche einen Schalter und einen Abtast-Halte-Kondensator aufweist, (c) einen Analog-zu-Digital-Wandler, (c1) welcher eingangsseitig mit einem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung verbunden ist und (c2) welcher eingerichtet ist, einen an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung anliegenden Signalpegel in das digitale Ausgangssignal zu konvertieren, (d) einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben des konvertierten digitalen Ausgangssignals, (e) eine Vergleichseinrichtung, welche mit dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung verbunden ist und welche derart eingerichtet ist, den an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung anliegenden Signalpegel mit einem Referenz-Signalpegel zu vergleichen, und (f) eine Ladungssubtraktionseinrichtung, welche mit einem Ausgang der Vergleichseinrichtung verbunden ist und welche eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung eine vorgegebene Ladungsmenge von dem Abtast-Halte-Kondensator zu entfernen, so dass der an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung anliegende Signalpegel kleiner wird als der Referenz-Signalpegel.According to a first aspect of the invention, an electronic circuit arrangement for converting an analog input signal into a digital output signal is described. The described electronic circuit arrangement comprises (a) an input terminal for supplying the analog input signal to be converted, (b) a sample-and-hold circuit which is connected on the input side to the input terminal and which has a switch and a sample-and-hold capacitor, c) an analog-to-digital converter, (c1) which is connected on the input side to an output of the sample-and-hold circuit and (c2) which is adapted to a present at the output of the sample-and-hold circuit signal level in the digital (D) an output terminal for outputting the converted digital output signal, (e) a comparator connected to the output of the sample-and-hold circuit and arranged such as at the output of the sample-and-hold circuit compare applied signal level with a reference signal level, and (f) a charge subtractor, which with an output g is connected to the comparison device and which is arranged to remove a predetermined amount of charge from the sample-and-hold capacitor in response to an output signal of the comparison device, so that the voltage applied to the output of the sample-and-hold circuit signal level becomes smaller than the reference signal level.
Der beschriebenen elektronischen Schaltungsanordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine gezielte Ladungssubtraktion von dem Abtast-Halte-Kondensator der analoge Signalpegel, welcher von der Abtast-Halte-Schaltung ausgegeben wird, in einen Bereich von Signalpegeln transformatiert wird, welcher von dem Analog-zu-Digital-Wandler ohne eine Übersteuerung des Analog-zu-Digital-Wandlers verarbeitet werden kann. Auf diese Weise kann ein zu konvertierendes Eingangssignal auch dann noch in das digitale Ausgangssignal konvertiert werden, wenn der Signalpegel des zu konvertierenden Eingangssignals deutlich größer ist als der eigentliche Messbereich des verwendeten Analog-zu-Digital-Wandlers.The described electronic circuit arrangement is based on the recognition that, by means of a targeted charge subtraction from the sample-and-hold capacitor, the analog signal level which is output by the sample-and-hold circuit is transformed into a range of signal levels, which from the analogue to Digital converter can be processed without an override of the analog-to-digital converter. In this way, an input signal to be converted can also be used be converted into the digital output signal when the signal level of the input signal to be converted is significantly larger than the actual measuring range of the analog-to-digital converter used.
Bei der genannten Ladungssubtraktion wird bevorzugt eine genau definierte Ladungsmenge von dem Abtast-Halte-Kondensator entfernt. Durch eine genaue Kenntnis dieser Ladungsmenge kann das Ausgangssignal des Analog-zu-Digital-Wandlers dann derart angepasst werden, dass das digitale Ausgangssignal nicht dem tatsächlich von dem Analog-zu-Digital-Wandler verarbeiteten Signalpegel (= der an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung anliegenden Signalpegel) entspricht. Da bei einer Kenntnis der Kapazität des Abtast-Halte-Kondensators jede definierte Ladungsentnahme einer gewissen Spannungsdifferenz entspricht, kann das primäre digitale Ausgangssignal des Analog-zu-Digital-Wandlers durch eine einfache Addition mit einem digitalen Wert, welcher der gewissen Spannungsdifferenz entspricht, in das digitale Ausgangssignal der gesamten Schaltungsanordnung transformiert werden.In the case of the aforementioned charge subtraction, a precisely defined charge quantity is preferably removed from the sample-and-hold capacitor. By knowing this amount of charge accurately, the output of the analog-to-digital converter can then be adjusted so that the digital output does not match the signal level actually being processed by the analog-to-digital converter (= the output of the sample-hold Circuit applied signal level) corresponds. Since, given a knowledge of the capacitance of the sample-and-hold capacitor, each defined charge withdrawal corresponds to a certain voltage difference, the primary digital output signal of the analog-to-digital converter can be converted into the digital output by a simple addition with a digital value corresponding to the certain voltage difference digital output of the entire circuit can be transformed.
Die beschriebene Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass Analog-zu-Digital-Wandler verwendet werden können, welche einen Messbereich aufweisen, der im Vergleich zu dem zu erwartenden Signalpegel des zu konvertierenden analogen Eingangssignals deutlich kleiner ist. Bei einer vorgegebenen digitalen Auflösung (z. B. 8 Bit) des Analog-zu-Digital-Wandlers wird dann im Vergleich zu einem herkömmlichen Analog-zu-Digital-Wandler, dessen Messbereich an den zu erwartenden Signalpegel angepasst ist, automatisch die Auflösung erhöht, weil sich die vorgegebenen digitalen Auflösung (z. B. 8 Bit) auf den Messbereich des beschriebenen Analog-zu-Digital-Wandlers bezieht, welcher Messbereich ggf. deutlich kleiner ist als der zu erwartende Signalpegel des zu konvertierenden analogen Eingangssignals. Durch eine geeignete Ladungssubtraktion, dessen Ladungsmenge wie beschrieben genau bekannt sein muss, kann somit fast eine beliebige Erhöhung der Auflösung der Schaltungsanordnung im Vergleich zu einem herkömmlichen Analog-zu-Digital-Wandler erreicht werden, ohne dass die Bitanzahl des beschriebenen und für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung verwendeten Analog-zu-Digital-Wandlers erhöht werden muss.The circuit described has the advantage that analog-to-digital converters can be used which have a measuring range which is significantly smaller compared to the expected signal level of the analog input signal to be converted. At a given digital resolution (eg 8 bits) of the analog-to-digital converter, the resolution is then automatically increased in comparison to a conventional analog-to-digital converter whose measuring range is adapted to the signal level to be expected because the predetermined digital resolution (eg 8 bits) relates to the measuring range of the described analog-to-digital converter, which measuring range is possibly much smaller than the expected signal level of the analog input signal to be converted. By a suitable charge subtraction, the amount of charge must be known exactly as described, thus almost any increase in the resolution of the circuit arrangement can be achieved compared to a conventional analog-to-digital converter, without the number of bits described and for the inventive circuit arrangement used analog-to-digital converter must be increased.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen elektronischen Schaltungsanordnung kann darin gesehen werden, dass die zur Realisierung der Ladungssubtraktion erforderliche Schaltungstechnik bereits in vielen bekannten Abtast-Halte-Schaltungen zumindest teilweise (z. B. zu 50%) enthalten ist.A further advantage of the described electronic circuit arrangement can be seen in the fact that the circuit technology required for the realization of the charge subtraction is already contained at least partially (eg to 50%) in many known sample-and-hold circuits.
In diesem Dokument ist unter dem Begriff ”Verbunden” insbesondere ”elektrisch verbunden” zu verstehen. Eine elektrische Verbindung kann unmittelbar, d. h. lediglich mit einem Stück elektrischen Leiter (insbesondere eine Leiterbahn), oder mittelbar über zumindest ein weiteres elektronisches Bauelement (z. B. ein Widerstand, eine Kapazität und/oder eine Spule) verbunden sein. Ggf. können auch aktive Bauelemente bzw. Baugruppen (z. B. ein Verstärker) verwendet werden, um verschiedene Komponenten der beschriebenen elektronischen Schaltungsanordnung miteinander elektrisch zu verbinden.In this document, the term "connected" is to be understood in particular as "electrically connected". An electrical connection can be immediate, d. H. only with a piece of electrical conductor (in particular a conductor track), or indirectly via at least one further electronic component (eg a resistor, a capacitor and / or a coil). Possibly. For example, active components or assemblies (eg, an amplifier) may also be used to electrically interconnect various components of the described electronic circuitry.
Die beschriebenen (analogen) Signalpegel können Spannungspegel und/oder Strompegel sein. Bevorzugt sind die beschriebenen Signalpegel Spannungspegel, welche in bekannter Weise in der Vergleichseinrichtung, welche beispielsweise einen Komparator aufweist, und/oder dem verwendeten Analog-zu-Digital-Wandler verarbeitet werden.The described (analog) signal levels may be voltage levels and / or current levels. Preferably, the described signal levels are voltage levels, which are processed in a known manner in the comparison device, which has, for example, a comparator, and / or the analog-to-digital converter used.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die elektronische Schaltungsanordnung ferner einen Referenzsignalgenerator zum Bereitstellen des Referenz-Signalpegels auf. Abhängig von der Art der in der beschriebenen elektronischen Schaltungsanordnung verwendeten analogen Signale kann der Referenzsignalgenerator eine Konstant-Spannungsquelle oder eine Konstant-Stromquelle sein.According to an embodiment of the invention, the electronic circuit arrangement further comprises a reference signal generator for providing the reference signal level. Depending on the type of analog signals used in the described electronic circuitry, the reference signal generator may be a constant voltage source or a constant current source.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Referenzsignalgenerator in dem Analog-zu-Digital-Wandler implementiert. Dies hat den Vorteil, dass der apparative Aufwand zur Realisierung der beschriebenen elektronischen Schaltungsanordnung klein gehalten werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein Analog-zu-Digital-Wandler zum Einsatz kommt, welcher als internes Referenzsignal ohnehin ein Signal verwendet, dessen Pegel mit dem Referenz-Signalpegel identisch ist.According to another embodiment of the invention, the reference signal generator is implemented in the analog-to-digital converter. This has the advantage that the expenditure on equipment for realizing the described electronic circuit arrangement can be kept small. This is especially true when an analog-to-digital converter is used, which uses a signal whose internal level is identical to the reference signal level anyway as an internal reference signal.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Ladungssubtraktionseinrichtung einen Subtraktionskondensator auf. Die Verwendung eines Kondensators, welcher in diesem Dokument als Subtraktionskondensator bezeichnet wird, hat den Vorteil, dass auf besonders einfache Weise eine genau definierte Ladungsmenge von dem Abtast-Halte-Kondensator abgeführt werden kann.According to a further exemplary embodiment of the invention, the charge subtraction device has a subtraction capacitor. The use of a capacitor, which is referred to in this document as a subtraction capacitor, has the advantage that in a particularly simple manner, a precisely defined amount of charge can be dissipated by the sample-and-hold capacitor.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Ladungssubtraktionseinrichtung ferner eine Steuerlogik und mehrere Schaltelemente auf. Dabei ist die Steuerlogik eingangsseitig mit einem Ausgang der Vergleichseinrichtung verbunden und die Schaltelemente sind derart von der Steuerlogik ansteuerbar, dass der Subtraktionskondensator zumindest für eine gewisse Zeitspanne mit dem Abtast-Halte-Kondensator verbindbar ist.According to a further embodiment of the invention, the charge subtraction device further comprises a control logic and a plurality of switching elements. In this case, the control logic is connected on the input side to an output of the comparison device and the switching elements are controllable by the control logic such that the Subtraction capacitor at least for a certain period of time with the sample-and-hold capacitor is connectable.
Die Schaltelemente können beispielsweise Transistoren sein, welche in geeigneter Weise mit der Steuerlogik verbunden sind und den Subtraktionskondensator mit dem Abtast-Halte-Kondensator verbinden, so dass ein definierter Ladungstransfer oder Ladungsabfluss von dem Abtast-Halte-Kondensator hin zu dem Subtraktionskondensator stattfindet.The switching elements may, for example, be transistors which are suitably connected to the control logic and connect the subtraction capacitor to the sample-and-hold capacitor so that a defined charge transfer or charge drain from the sample-and-hold capacitor to the subtraction capacitor takes place.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ladungssubtraktionseinrichtung derart ausgebildet, dass der Subtraktionskondensator und der Abtast-Halte-Kondensator in Form einer Parallelschaltung miteinander verbindbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die oben beschriebene Ladungsentnahme auf besonders einfache Weise realisiert werden kann, ohne dass eine reduzierte Genauigkeit hinsichtlich der präzisen Menge der entnommenen Ladung zu besorgen wäre. Da sich gemäß den allgemeinen Grundsätzen der Elektrostatik die Kapazitäten bei einer Parallelschaltung zweier Kondensatoren addieren, kann die Ladungsentnahmemenge nicht nur genau definiert sondern zudem auch auf einfache Weise berechnet werden.According to a further embodiment of the invention, the charge subtraction device is designed such that the subtraction capacitor and the sample-and-hold capacitor can be connected to one another in the form of a parallel connection. This has the advantage that the charge removal described above can be realized in a particularly simple manner without having to obtain a reduced accuracy with regard to the precise amount of the removed charge. Since, in accordance with the general principles of electrostatics, the capacitances add up when two capacitors are connected in parallel, the charge removal quantity can not only be precisely defined, but also calculated in a simple manner.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Ladungssubtraktionseinrichtung ferner mehrere weitere Schaltelemente auf, welche von der Steuerlogik derart ansteuerbar sind, dass der Subtraktionskondensator zumindest für eine gewisse Zeitspanne mit zwei Referenzpotentialen verbindbar ist. Insbesondere können dabei ein Anschluss des Subtraktionskondensators mit einem ersten Referenzpotential und der andere Anschluss des Subtraktionskondensators mit einem zweiten Referenzpotential verbunden werden.According to a further exemplary embodiment of the invention, the charge subtraction device furthermore has a plurality of further switching elements, which can be controlled by the control logic such that the subtraction capacitor can be connected to two reference potentials for at least a certain period of time. In particular, one terminal of the subtraction capacitor can be connected to a first reference potential and the other terminal of the subtraction capacitor can be connected to a second reference potential.
Die Verwendung der weiteren Schaltelements in Verbindung mit den beiden Referenzpotentialen hat den Vorteil, dass die Ladungsmenge, welche bei einer Verbindung der beiden Kondensatoren von dem Abtast-Halte-Kondensator abgezogen wird, besonders genau festgelegt ist. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der elektronischen Schaltungsanordnung in Bezug auf die gesamte Analog zu Digital Konvertierung erhöht werden.The use of the further switching element in conjunction with the two reference potentials has the advantage that the amount of charge which is drawn off at a connection of the two capacitors of the sample-and-hold capacitor, is particularly well defined. In this way, the accuracy of the electronic circuitry with respect to the overall analog to digital conversion can be increased.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. ist ein erstes Referenzpotential mit dem Referenz-Signalpegel identisch und/oder das zweite Referenzpotential ist ein Massepotential. Dies hat den Vorteil, dass Referenzpotentiale verwendet werden, welche in dem verwendeten Analog-zu-Digital-Wandler ohnehin vorhanden sind, so dass auf vorteilhafte Weise kein zusätzlicher apparativer Aufwand zur Erzeugung der Referenzpotentiale erforderlich ist.According to a further embodiment of the invention. a first reference potential is identical to the reference signal level and / or the second reference potential is a ground potential. This has the advantage that reference potentials are used, which are present anyway in the analog-to-digital converter used, so that advantageously no additional expenditure on equipment for generating the reference potentials is required.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Schaltelemente und die weiteren Schaltelemente von der Steuerlogik derart ansteuerbar, dass der Subtraktionskondensator abwechselnd mit dem Abtast-Halte-Kondensator und mit den beiden Referenzpotentialen verbindbar ist. Dies hat den Vorteil, dass ein mehrfaches Entnehmen jeweils einer definierten Ladungsmenge möglich ist. Die sukzessive Entnahme jeweils einer definierten Ladungsmenge kann solange fortgeführt werden, bis der an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung anliegende Signalpegel einen Wert annimmt, welche innerhalb des Messbereichs des verwendeten Analog-zu-Digital-Wandlers liegt.According to a further exemplary embodiment of the invention, the switching elements and the further switching elements can be controlled by the control logic in such a way that the subtraction capacitor can be alternately connected to the sample-and-hold capacitor and to the two reference potentials. This has the advantage that multiple removal of a defined amount of charge is possible. The successive removal of a defined charge quantity in each case can be continued until the signal level applied to the output of the sample-and-hold circuit assumes a value which lies within the measuring range of the analog-to-digital converter used.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Schaltelemente und die weiteren Schaltelemente derart angeordnet und die Steuerlogik ist derart eingerichtet, dass der Subtraktionskondensator mit wechselnder Polarität mit dem Abtast-Halte-Kondensator und/oder mit den beiden Referenzpotentialen verbindbar ist.According to a further exemplary embodiment of the invention, the switching elements and the further switching elements are arranged in such a way and the control logic is set up such that the subtraction capacitor with alternating polarity can be connected to the sample-and-hold capacitor and / or to the two reference potentials.
Durch ein gezieltes Umpolen des Subtraktionskondensators in Bezug auf den Abtast-Halte-Kondensator und/oder auf die beiden Referenzpotentiale kann die Ladungsmenge, die während eines Schaltzyklus von dem Abtast-Halte-Kondensator entnommen wird, erhöht werden. In diesem Zusammenhang ist der Begriff ”Schaltzyklus” als eine Zeitspanne zu verstehen, innerhalb der der Subtraktionskondensator einmal mit dem Abtast-Halte-Kondensator und einmal mit den beiden Referenzpotentialen verbunden ist.By selectively reversing the subtraction capacitor with respect to the sample-and-hold capacitor and / or the two reference potentials, the amount of charge taken from the sample-and-hold capacitor during a switching cycle can be increased. In this context, the term "switching cycle" is to be understood as a time period within which the subtraction capacitor is connected once to the sample-and-hold capacitor and once to the two reference potentials.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Konvertieren eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal mittels einer elektronischen Schaltungsanordnung beschrieben, welche eine Abtast-Halte-Schaltung mit einem Schalter und einem Abtast-Halte-Kondensator und einen Analog-zu-Digital-Wandler aufweist, wobei der Analog-zu-Digital-Wandler mit einem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung verbunden ist. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) Zuführen des zu konvertierenden analogen Eingangssignals zu einem Eingangsanschluss der elektronischen Schaltungsanordnung, welcher mit einem Eingang der Abtast-Halte-Schaltung verbunden ist, (b) Vergleichen eines an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung anliegenden Signalpegels mit einem Referenz-Signalpegel mittels einer Vergleichseinrichtung, welche mit dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung verbunden ist, (c) Entfernen einer vorgegebenen Ladungsmenge von dem Abtast-Halte-Kondensator in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung mittels einer Ladungssubtraktionseinrichtung, welche mit einem Ausgang der Vergleichseinrichtung verbunden ist, so dass der an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung anliegende Signalpegel kleiner wird als der Referenz-Signalpegel, (d) Konvertieren des an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung anliegenden Signalpegels in das digitale Ausgangssignal, und (e) Ausgeben des konvertierten digitalen Ausgangssignals an einem Ausgangsanschluss der elektronischen Schaltungsanordnung.According to another aspect of the invention, a method of converting an analog input signal to a digital output signal by means of an electronic circuit arrangement comprising a sample and hold circuit comprising a switch and a sample-and-hold capacitor and an analog-to-digital converter is described wherein the analog-to-digital converter is connected to an output of the sample-and-hold circuit. The described method comprises (a) supplying the analog input signal to be converted to an input terminal of the electronic circuitry connected to an input of the sample and hold circuit, (b) comparing a signal level applied to the output of the sample and hold circuit (c) removing a predetermined amount of charge from the sample-and-hold capacitor in response to an output signal of the comparison means by means of a charge subtractor connected to a reference signal level by means of a comparator connected to the output of the sample-and-hold circuit; Output of the comparator is connected so that the voltage applied to the output of the sample-and-hold circuit Signal level becomes smaller than the reference signal level, (d) converting the signal level applied to the output of the sample-and-hold circuit to the digital output signal, and (e) outputting the converted digital output signal at an output terminal of the electronic circuitry.
Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine gezielte Ladungsentnahme von dem Abtast-Halte-Kondensator der analoge Signalpegel, welcher von der Abtast-Halte-Schaltung ausgegeben wird, in einen Bereich von Signalpegeln transformatiert wird, welcher von dem Analog-zu-Digital-Wandler problemlos verarbeitet werden kann. Auf diese Weise kann ein zu konvertierendes Eingangssignal auch dann noch in das digitale Ausgangssignal konvertiert werden, wenn der Signalpegel des zu konvertierenden Eingangssignals deutlich größer ist als der eigentliche Messbereich des verwendeten Analog-zu-Digital-Wandlers.The described method is also based on the recognition that, by a targeted charge removal from the sample-and-hold capacitor, the analog signal level which is output by the sample-and-hold circuit is transformed into a range of signal levels, which from the analogue to Digital converter can be easily processed. In this way, an input signal to be converted can still be converted into the digital output signal even if the signal level of the input signal to be converted is significantly greater than the actual measuring range of the analog-to-digital converter used.
Durch die bewusste Wahl eines Analog-zu-Digital-Wandlers mit einem im Vergleich zu der zu erwartenden Signalhöhe des Eingangssignals reduzierten Messbereich kann die absolute Auflösung der beschriebenen Analog-zu-Digital-Konvertierung im Vergleich zu einer herkömmlichen Analog-zu-Digital-Konvertierung, bei der der Messbereich des Analog-zu-Digital-Wandlers an die zu erwartende Signalhöhe des Eingangssignals angepasst ist, deutlich erhöht werden. Die Auflösung des Analog-zu-Digital-Wandlers ”verteilt” sich nämlich lediglich auf ein durch die Ladungsentnahme(n) reduziertes Fenster von Signalpegeln am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung.By deliberately choosing an analog-to-digital converter with a reduced measuring range compared to the expected signal level of the input signal, the absolute resolution of the described analog-to-digital conversion can be compared with conventional analog-to-digital conversion , in which the measuring range of the analog-to-digital converter is adapted to the expected signal level of the input signal, be increased significantly. Namely, the resolution of the analog-to-digital converter merely "disperses" to a window of signal levels at the output of the sample-and-hold circuit which is reduced by the charge extraction (s).
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit einem Verfahrensanspruch beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.It should be noted that embodiments of the invention have been described with reference to different subject matters. In particular, some embodiments of the invention are described with apparatus claims and other embodiments of the invention with a method claim. However, it will be readily apparent to those skilled in the art upon reading this application that, unless explicitly stated otherwise, in addition to a combination of features belonging to a type of subject matter, any combination of features that may result in different types of features is also possible Subject matters belong.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following exemplary description of a presently preferred embodiment.
Die
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.It should be noted that the embodiments described below represent only a limited selection of possible embodiments of the invention. In particular, it is possible to suitably combine the features of individual embodiments with one another, so that a multiplicity of different embodiments are to be regarded as obviously disclosed to the person skilled in the art with the embodiment variants explicitly illustrated here.
In den
Die beiden Teile der elektronischen Schaltungsanordnung sind über die Anschlussstellen A, B und C miteinander verbunden, welche in beiden
Wie aus
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schalter SSH mittels eines elektronischen Schaltelements wie z. B. einen Transistor realisiert. Da Abtast-Halte-Schaltungen dem Fachmann bekannt sind, wird auf die Funktion der Abtast-Halte-Schaltung
Ein Ausgang
Der Analog-zu-Digital-Wandlers
Wie ferner aus
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Referenzsignalgenerator
Wie aus
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das aus mehreren Schaltelementen bestehende System insgesamt vier Schaltelemente
Bei dem wechselseitige Verbinden des Subtraktionskondensators CS mit dem Abtast-Halte-Kondensator CSH (in Form einer Parallelschaltung der beiden Kondensatoren CS und CSH) und den beiden Referenzpotentialen Uref und GND wird währen einem Schaltzyklus jeweils ein bestimmte Ladungsmenge von dem Abtast-Halte-Kondensator CSH entnommen. Dabei ist ein Schaltzyklus durch diejenige Zeitspanne definiert, innerhalb welcher der Subtraktionskondensator CS einmal mit dem Abtast-Halte-Kondensator CSH und einmal mit den beiden Referenzpotentialen Uref und GND verbunden ist. Das wechselseitige Verbinden des Subtraktionskondensators CS mit dem Abtast-Halte-Kondensator CSH und den beiden Referenzpotentialen Uref und GND wird solange fortgesetzt, bis infolge der sukzessiven Ladungsentnahme die Ausgangsspannung der Abtast-Halte-Schaltung
Es wird darauf hingewiesen, dass bevorzugt das digitale Ausgangssignal Udigital nicht das primäre Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Subtraktionskondensator CS unter Verwendung von insgesamt vier Schaltelementen
Zusammenfassend bleibt festzustellen: Um eine genaue und reproduzierbare Analog-zu-Digital-Wandlung vornehmen zu können, ist bei der hier beschriebenen Schaltungsanordnung immer eine bekannte Referenzspannung hoher Genauigkeit erforderlich. Diese Referenzspannung kann auch deutlich kleiner sein als die maximal zumessende Spannung Uanalog. Ist die Referenzspannung z. B. 1/2 mal so groß wie die maximal zu messende Spannung Uanalog, ist es ausreichend, den Analog-zu-Digital-Wandler
Ist die zu messende Spannung Uanalog jedoch größer als 1,5 Volt, dann wird die vorhandene Referenzspannung Uref in Form einer Ladungssubtraktion von der am Ausgang
Wie oben im Detail dargelegt, kann die Subtraktion auf vorteilhafte Weise in der Abtast-Halte-Schaltung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 102102
- Eingangsanschluss (analog)Input connection (analog)
- 110110
- Abtast-Halte-SchaltungSample and hold circuit
- 112112
- Ausgang der Abtast-Halte-SchaltungOutput of sample-and-hold circuit
- 120120
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 130130
- Vergleichseinrichtung/KomparatorComparing means / comparator
- 135135
- ReferenzsignalgeneratorReference signal generator
- 150150
- LadungssubtraktionseinrichtungLadungssubtraktionseinrichtung
- 155155
- Steuerlogikcontrol logic
- 155a155a
- Steuerleitungcontrol line
- 155b155b
- Steuerleitungcontrol line
- 162a–d162a-d
- Schaltelementswitching element
- 164a, b164a, b
- weiteres Schaltelementanother switching element
- 182182
- Ausgangsanschluss (digital)Output connection (digital)
- SSH S SH
- Schalterswitch
- CSH C SH
- Abtast-Halte-KondensatorSample and hold capacitor
- CS C S
- SubtraktionskondensatorSubtraktionskondensator
- Uref U ref
- Referenz-Signalpegel/ReferenzpotentialReference signal level / reference potential
- GNDGND
- MasseDimensions
- Uanalog U analog
- Eingangssignalinput
- Udigital U digital
- Ausgangssignaloutput
- AA
- erster Anschluss Abtast-Halte-Kondensatorfirst terminal sample-and-hold capacitor
- BB
- zweiter Anschluss Abtast-Halte-Kondensatorsecond terminal sample-and-hold capacitor
- CC
- Ausgang der Vergleichseinrichtung/KomparatorOutput of the comparator / comparator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 5748129 [0004] US 5748129 [0004]
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