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 PDF

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    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/18Automatic control for modifying the range of signals the converter can handle, e.g. gain ranging
    • H03M1/181Automatic control for modifying the range of signals the converter can handle, e.g. gain ranging in feedback mode, i.e. by determining the range to be selected from one or more previous digital output values

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Abstract

The arrangement has a sample and hold circuit (110) whose input side is connected with an input terminal (102) that delivers an analog input signal (Uanalog) to be converted. An analog-to digital converter (120) converts a signal level that exists at an output (112) of the sample-and-hold circuit into a digital output signal (Udigital). A charge subtraction device removes a predetermined charge amount from a sample and hold capacitor (Csh) in response to an output signal of a comparator (130) so that the signal level is smaller than a reference signal level (Uref). An independent claim is also included for a method for converting an analog input signal into a digital output signal.

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 US 5,748,129 ist eine Schaltung zum Analog-zu-Digital-Konvertieren einer analogen Eingangsspannung bekannt, welche zur Konversion zusätzlich zu der Eingangsspannung noch eine analoge Referenzspannung verwendet. Die analoge Referenzspannung weist einen Spannungspegel auf, welcher in Abhängigkeit des Pegels der Eingangsspannung mittels einer Analogpegeldetektorschaltung und einer der Analogpegeldetektorschaltung nachgeschalteten Proportionalschaltung ermittelt wird. Die bekannte Schaltung zum Analog-zu-Digital Konvertieren weist einen sog. Parallel Komparator Typ Analog-zu-Digital Konverter (PK-ADC) auf. Der PK-ADC konvertiert den Pegel der Eingangsspannung, welche dem PK-ADC über einen ersten Eingang des PK-ADC zugeführt wird, in Bezug zu dem Pegel der analogen Referenzspannung, welche dem PK-ADC über einen zweiten Eingang des PK-ADC zugeführt wird, in einen digitalen Ausgangswert. Der Parallel Komparator Typ Analog-zu-Digital Konverter besteht in bekannter Weise aus (1) einem Satz von Komparatoren, welche das analoge Eingangsspannungssignal mit verschiedenen festen Spannungswerten vergleichen, (2) einem entsprechenden Satz von D-Typ Flip-Flops, welche die digitalen Ausgänge der Komparatoren aufrecht erhalten, und (3) einer Codiereinrichtung, welche die Ausgänge der D-Typ Flip-Flops in die finalen digitalen Ausgangscode konvertiert.From the US 5,748,129 For example, a circuit for analog-to-digital conversion of an analog input voltage is known which still uses an analog reference voltage for conversion in addition to the input voltage. The analog reference voltage has a voltage level which is determined as a function of the level of the input voltage by means of an analog level detector circuit and a proportional circuit connected downstream of the analog level detector circuit. The known analog-to-digital conversion circuit has a so-called parallel comparator type analog-to-digital converter (PK-ADC). The PK-ADC converts the level of the input voltage supplied to the PK-ADC via a first input of the PK-ADC with respect to the level of the analog reference voltage supplied to the PK-ADC via a second input of the PK-ADC , into a digital output value. The parallel comparator type analog-to-digital converter is conventionally composed of (1) a set of comparators which compare the analog input voltage signal with different fixed voltage values, (2) a corresponding set of D-type flip-flops representing the digital ones And outputs (3) an encoder which converts the outputs of the D-type flip-flops to the final digital output code.

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 1a und 1b zeigen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine elektronische Schaltungsanordnung zum Konvertieren eines analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal.The 1a and 1b show according to an embodiment of the invention, an electronic circuit arrangement for converting an analog input signal into a digital output signal.

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 1a und 1b ist eine elektronische Schaltungsanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungseispiel der Erfindung detailliert dargestellt. 1a zeigt den generellen Aufbau der Schaltungsanordnung, 1b zeigt detailliert den Aufbau einer Ladungssubtraktionseinrichtung 150, welche für die elektronische Schaltungsanordnung verwendet wird.In the 1a and 1b an electronic circuit arrangement according to a preferred embodiment of the invention is shown in detail. 1a shows the general structure of the circuit arrangement, 1b shows in detail the construction of a charge subtraction device 150 , which is used for the electronic circuit arrangement.

Die beiden Teile der elektronischen Schaltungsanordnung sind über die Anschlussstellen A, B und C miteinander verbunden, welche in beiden 1a und 1b angegeben sind.The two parts of the electronic circuit arrangement are connected to each other via the connection points A, B and C, which in both 1a and 1b are indicated.

Wie aus 1 ersichtlich, weist die Schaltungsanordnung einen analogen Eingangsanschluss 102 auf, an dem das zu konvertierende analoge Eingangssignal Uanalog angelegt wird und welcher den Eingang einer Abtast-Halte-Schaltung 110 darstellt. Die Abtast-Halte-Schaltung 110 weist einen Schalter SSH und einen Abtast-Halte-Kondensator CSH auf. Ein Anschluss des Abtast-Halte-Kondensators CSH ist mit einem Massepotential GND verbunden.How out 1 As can be seen, the circuit arrangement has an analog input terminal 102 on which the analog input signal U to be converted is applied analogously and which is the input of a sample-and-hold circuit 110 represents. The sample-and-hold circuit 110 has a switch S SH and a sample-and-hold capacitor C SH . One terminal of the sample-and-hold capacitor C SH is connected to a ground potential GND.

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 110 an dieser Stelle nicht näher eingegangen.According to the embodiment shown here, the switch S SH by means of an electronic switching element such. B. realized a transistor. Since sample-and-hold circuits are known to those skilled in the art, the function of the sample and hold circuit is discussed 110 not discussed here.

Ein Ausgang 112 der Abtast-Halte-Schaltung 110 ist zum einen mit dem Eingang eines Analog-zu-Digital-Wandlers 120 und zum anderen mit einer Vergleichseinrichtung 130 verbunden. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vergleichseinrichtung 130 mit einem als Operationsverstärker ausgebildeten Komparator realisiert.An exit 112 the sample-and-hold circuit 110 is on the one hand with the input of an analog-to-digital converter 120 and on the other hand with a comparison device 130 connected. According to the embodiment shown here, the comparison device 130 realized with a constructed as an operational amplifier comparator.

Der Analog-zu-Digital-Wandlers 120 weist einen digitalen Ausgangsanschluss 182 auf.The analog-to-digital converter 120 has a digital output port 182 on.

Wie ferner aus 1a ersichtlich, wird mittels der Vergleichseinrichtung 130 der an dem Ausgang 112 der Abtast-Halte-Schaltung 110 anliegende Signalpegel mit einem Referenzpotential Uref verglichen, welches von einem Referenzsignalgenerator 135 bereit gestellt wird. Solange die an dem Ausgang 112 anliegende Spannung größer ist als das Referenzpotential Uref, wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein positives Signal von der Vergleichseinrichtung 130 ausgegeben. Ist die an dem Ausgang 112 anliegende Spannung kleiner als das Referenzpotential Uref, wird von der Vergleichseinrichtung 130 ein negatives Signal ausgegeben. Das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 130 wird über den Anschluss C, welcher den Ausgang der Vergleichseinrichtung 130 darstellt, an die in 1b dargestellte Ladungssubtraktionseinrichtung 150 ausgegeben. Insbesondere wird das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 130 an eine Steuerlogik 155 der Ladungssubtraktionseinrichtung 150 ausgegeben.As further out 1a can be seen, by means of the comparator 130 the one at the exit 112 the sample-and-hold circuit 110 applied signal level compared to a reference potential U ref , which of a reference signal generator 135 provided. As long as the at the output 112 applied voltage is greater than the reference potential U ref , according to the embodiment shown here, a positive signal from the comparator 130 output. Is that at the exit 112 applied voltage less than the reference potential U ref , is from the comparator 130 a negative signal is output. The output of the comparator 130 is via terminal C, which is the output of the comparator 130 represents to the in 1b illustrated charge subtraction device 150 output. In particular, the output of the comparator 130 to a control logic 155 the charge subtraction device 150 output.

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Referenzsignalgenerator 135 ein Teil des Analog-zu-Digital-Wandlers 120 und das Referenzpotential ist ein Referenzpotential, welches auch für die Analog-zu-Digital-Konvertierung in dem Analog-Digital-Wandler 120 verwendet wird. Damit ist zur Realisierung des Referenzsignalgenerators 135 kein zusätzlicher apparativer Aufwand mehr erforderlich.According to the embodiment shown here, the reference signal generator 135 a part of the analog-to-digital converter 120 and the reference potential is a reference potential which also applies to the analog-to-digital conversion in the analog-to-digital converter 120 is used. This is to realize the reference signal generator 135 no additional equipment required.

Wie aus 1b ersichtlich, weist die Ladungssubtraktionseinrichtung 150 neben der Steuerlogik 155 noch einen Subtraktionskondensator CS auf, welcher über eine System aus mehreren Schaltelementen den Subtraktionskondensator CS wechselweise mit dem Abtast-Halte-Kondensator CSH und zwei Referenzpotentialen verbindet. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erstes der beiden Referenzpotentiale der Referenz-Signalpegel Uref. Das zweite der beiden Referenzpotentiale ist das Massepotential GND.How out 1b can be seen, the charge subtractor 150 next to the control logic 155 another Subtraktionskondensator C S on, which connects via a system of a plurality of switching elements to Subtraktionskondensator C S alternately to the sample-hold capacitor C SH and two reference potentials. According to the exemplary embodiment illustrated here, a first of the two reference potentials is the reference signal level U ref . The second of the two reference potentials is the ground potential GND.

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das aus mehreren Schaltelementen bestehende System insgesamt vier Schaltelemente 162a, 162b, 162c und 162d sowie zwei weitere Schaltelemente 164a und 164b auf. Die Schaltelemente 162a, 162b, 162c, 162d, 164a und 164b sind über gestrichelt dargestellte Steuerleitungen 155a und 155b von der Steuerlogik 155 ansteuerbar.According to the embodiment shown here, the system consisting of several switching elements has a total of four switching elements 162a . 162b . 162c and 162d and two other switching elements 164a and 164b on. The switching elements 162a . 162b . 162c . 162d . 164a and 164b are dashed lines shown control lines 155a and 155b from the control logic 155 controllable.

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 110 so weit abgesunken ist, dass sie kleiner als oder gleich wie der Messbereich des Analog-Digital-Wandlers 120 ist (dann ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 130 negativ). Dann wird von dem Analog-Digital-Wandler 120 in bekannter Weise eine Analog-zu-Digital-Konvertierung durchgeführt, welche an dem Ausgangsanschluss 182 das entsprechende digitale Ausgangssignal Udigital ergibt.In the mutual connection of the subtraction capacitor C S with the sample-and-hold capacitor C SH (in the form of a parallel connection of the two capacitors C S and C SH ) and the two reference potentials U ref and GND during a switching cycle in each case a certain amount of charge from the sample Holding capacitor C SH taken. In this case, a switching cycle is defined by that time period within which the subtraction capacitor C S is connected once to the sample-and-hold capacitor C SH and once to the two reference potentials U ref and GND. The mutual connection of the subtraction capacitor C S with the sample-and-hold capacitor C SH and the two reference potentials U ref and GND is continued until, due to the successive charge removal, the output voltage of the sample-and-hold circuit 110 has dropped so far that it is less than or equal to the measurement range of the analog-to-digital converter 120 is (then according to the embodiment shown here, the output of the comparator 130 negative). Then by the analog-to-digital converter 120 in a known manner an analog-to-digital conversion performed, which at the output terminal 182 the corresponding digital output signal U yields digital .

Es wird darauf hingewiesen, dass bevorzugt das digitale Ausgangssignal Udigital nicht das primäre Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 120 ist. Vielmehr ist bevorzugt das digitale Ausgangssignal Udigital ein modifiziertes Ausgangssignal, in welches die den jeweiligen Ladungsentnahmen zugeordneten Spannungsdifferenzen mit eingerechnet sind. Das digitale Ausgangssignal Udigital entspricht dann nicht der durch sukzessive Ladungsentnahmen reduzierten Ausgangspannung der Abtast-Halte-Schaltung 110 sondern der tatsächlich an dem Eingangsanschluss 102 angelegten analogen Eingangsspannung Uanalog.It should be noted that preferably the digital output signal U digital is not the primary output signal of the analog-to-digital converter 120 is. Rather, the digital output signal U is preferably a digitally modified output signal into which the voltage differences associated with the respective charge withdrawals are included. The digital output signal U digital then does not correspond to the output voltage of the sample-and-hold circuit, which is reduced by successive charge withdrawals 110 but actually at the input port 102 applied analog input voltage U analog .

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Subtraktionskondensator CS unter Verwendung von insgesamt vier Schaltelementen 162a–d mit dem Abtast-Halte-Kondensator CSH verbunden werden. Dabei kann je nach Aktivierung der einzelnen Schaltelemente 162a–d der Subtraktionskondensator CS mit prinzipiell zwei verschiedenen Polaritäten über die beiden Anschlüsse A und B mit dem Abtast-Halte-Kondensator CSH verbunden werden. Dadurch kann von der Steuerlogik 155 eine bewusste Umpolung des Subtraktionskondensators CS in Bezug zu dem Abtast-Halte-Kondensator CSH vorgenommen werden, wodurch die Ladungssubtraktion in vergleichsweise großen Portionen und trotzdem mit hoher Genauigkeit vorgenommen werden kann.According to the embodiment shown here, the subtraction capacitor C S can be used using a total of four switching elements 162a -D be connected to the sample and hold capacitor C SH . Depending on the activation of the individual switching elements 162a -D the subtraction capacitor C S with in principle two different polarities via the two terminals A and B with the sample-and-hold capacitor C SH are connected. This can be done by the control logic 155 a deliberate reversal of the subtraction capacitor C S are made in relation to the sample-and-hold capacitor C SH , whereby the charge subtraction can be made in relatively large portions and still with high accuracy.

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 120 statt beispielsweise auf 3 Volt nur auf 1,5 Volt auszulegen. Ist die zu messende Spannung dann kleiner als 1,5 Volt, dann wird ohne eine Ladungssubtraktion mit dem Analog-zu-Digital-Wandler 120 in bekannter Weise konvertiert.In summary, it remains to be stated: In order to be able to carry out an accurate and reproducible analog-to-digital conversion, a known reference voltage of high accuracy is always required in the case of the circuit arrangement described here. This reference voltage can also be significantly smaller than the maximum voltage U to be measured analogously . If the reference voltage z. B. 1/2 times as large as the maximum voltage to be measured U analog , it is sufficient, the analog-to-digital converter 120 instead of, for example, only 3 volts to 1.5 volts interpreted. If the voltage to be measured is then less than 1.5 volts, then without a charge subtraction with the analog-to-digital converter 120 converted in a known manner.

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 112 der Abtast-Halte-Schaltung 110 anliegenden Spannung subtrahiert. Damit ist die beschriebene Schaltungsanordnung in der Lage, die Auflösung der Analog-zu-Digital-Konvertierung im Vergleich zu der Standard-Auflösung des Analog-Digital-Wandlers 120 zu verdoppeln. Bei einem 12 Bit Analog-Digital-Wandler 130 ergibt sich dann anstelle einer Auflösung von 3,0 Volt:4096 = 732,42 μVolt pro Bit eine verdoppelte Auflösung von 1,5 Volt:4096 = 366 μVolt pro Bit. Ein μV steht dabei für 10–6 Volt. Is the voltage to be measured, however, analog U is greater than 1.5 volts, then the existing reference voltage U ref in the form of a Ladungssubtraktion from the output 112 the sample-and-hold circuit 110 subtracted voltage. Thus, the circuit described is capable of resolving the analog-to-digital conversion compared to the standard resolution of the analog-to-digital converter 120 to double. For a 12-bit analog-to-digital converter 130 then results instead of a resolution of 3.0 volts: 4096 = 732.42 μVolt per bit, a double resolution of 1.5 volts: 4096 = 366 μVolt per bit. A μV stands for 10 -6 volts.

Wie oben im Detail dargelegt, kann die Subtraktion auf vorteilhafte Weise in der Abtast-Halte-Schaltung 110 erfolgen, z. B. durch Addition zweier über die Kapazitäten CSH und CS abgetasteten Werte (1x Messwert, 1x Referenzwert). Wird die Referenzspannung z. B. auf 0,5 V gelegt, dann kann durch entsprechende mehrfache Ladungssubtraktion auch eine Spannung von 1,5 Volt oder auch 2,0 Volt subtrahiert werden. Damit wird die Auflösung bis herunter auf 0,5 Volt:4096 = 122 μVolt pro Bit verbessert.As detailed above, the subtraction can be advantageously performed in the sample and hold circuit 110 done, z. B. by adding two scanned across the capacitances C SH and C S values (1x measured value, 1x reference value). If the reference voltage z. B. to 0.5 V, then can be subtracted by appropriate multiple charge subtraction, a voltage of 1.5 volts or 2.0 volts. This improves resolution down to 0.5 volts: 4096 = 122 μV per bit.

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]

Claims (11)

Elektronische Schaltungsanordnung zum Konvertieren eines analogen Eingangssignals (Uanalog) in ein digitales Ausgangssignal (Udigital), die elektronische Schaltungsanordnung aufweisend einen Eingangsanschluss (102) zum Zuführen des zu konvertierenden analogen Eingangssignals (Uanalog), eine Abtast-Halte-Schaltung (110), welche eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss (102) verbunden ist und welche einen Schalter (SSH) und einen Abtast-Halte-Kondensator (CSH) aufweist, einen Analog-zu-Digital-Wandler (120), welcher eingangsseitig mit einem Ausgang (112) der Abtast-Halte-Schaltung (110) verbunden ist und welcher eingerichtet ist, einen an dem Ausgang (112) der Abtast-Halte-Schaltung (110) anliegenden Signalpegel in das digitale Ausgangssignal (Udigital) zu konvertieren, einen Ausgangsanschluss (182) zum Ausgeben des konvertierten digitalen Ausgangssignals (Udigital), eine Vergleichseinrichtung (130), welche mit dem Ausgang (112) der Abtast-Halte-Schaltung (110) verbunden ist und welche derart eingerichtet ist, den an dem Ausgang (112) der Abtast-Halte-Schaltung (110) anliegenden Signalpegel mit einem Referenz-Signalpegel (Uref) zu vergleichen, und eine Ladungssubtraktionseinrichtung (150), welche mit einem Ausgang (C) der Vergleichseinrichtung (130) verbunden ist und welche eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung (130) eine vorgegebene Ladungsmenge von dem Abtast-Halte-Kondensator (CSH) zu entfernen, so dass der an dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung (110) anliegende Signalpegel kleiner wird als der Referenz-Signalpegel (Uref).Electronic circuit arrangement for converting an analog input signal (U analog ) into a digital output signal (U digital ), the electronic circuit arrangement having an input connection ( 102 ) for supplying the analog input signal to be converted (U analog ), a sample and hold circuit ( 110 ), which on the input side with the input terminal ( 102 ) and which comprises a switch (S SH ) and a sample-and-hold capacitor (C SH ), an analog-to-digital converter ( 120 ), which on the input side with an output ( 112 ) the sample and hold circuit ( 110 ) and which is set up, one at the output ( 112 ) the sample and hold circuit ( 110 ) to convert applied signal levels into the digital output signal (U digital ), an output terminal ( 182 ) for outputting the converted digital output signal (U digital ), a comparison device ( 130 ), which with the output ( 112 ) the sample and hold circuit ( 110 ) and which is arranged in such a way that at the output ( 112 ) the sample and hold circuit ( 110 ) to compare applied signal levels with a reference signal level (U ref ), and a charge subtractor ( 150 ) connected to an output (C) of the comparator ( 130 ) and which is set up as a function of an output signal of the comparison device ( 130 ) to remove a predetermined amount of charge from the sample and hold capacitor (C SH ), so that the at the output of the sample-and-hold circuit (C SH ) 110 ) applied signal level is smaller than the reference signal level (U ref ). Elektronische Schaltungsanordnung gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend einen Referenzsignalgenerator (135) zum Bereitstellen des Referenz-Signalpegels (Uref).Electronic circuit arrangement according to the preceding claim, further comprising a reference signal generator ( 135 ) for providing the reference signal level (U ref ). Elektronische Schaltungsanordnung gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei der Referenzsignalgenerator (135) in dem Analog-zu-Digital-Wandler (120) implementiert ist.Electronic circuit arrangement according to the preceding claim, wherein the reference signal generator ( 135 ) in the analog-to-digital converter ( 120 ) is implemented. Elektronische Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ladungssubtraktionseinrichtung (150) einen Subtraktionskondensator (CS) aufweist.Electronic circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the charge subtraction device ( 150 ) has a subtraction capacitor (C S ). Elektronische Schaltungsanordnung gemäß dem vorangehenden Anspruch, die Ladungssubtraktionseinrichtung (150) ferner aufweisend eine Steuerlogik (155) und mehrere Schaltelemente (162a, 162b, 162c, 162d), – wobei die Steuerlogik (155) eingangsseitig mit einem Ausgang (C) der Vergleichseinrichtung (130) verbunden ist und – wobei die Schaltelemente (162a, 162b, 162c, 162d) derart von der Steuerlogik (155) ansteuerbar sind, dass der Subtraktionskondensator (CS) zumindest für eine gewisse Zeitspanne mit dem Abtast-Halte-Kondensator (CSH) verbindbar ist.Electronic circuit arrangement according to the preceding claim, the charge subtraction device ( 150 ) further comprising a control logic ( 155 ) and several switching elements ( 162a . 162b . 162c . 162d ), The control logic ( 155 ) on the input side with an output (C) of the comparison device ( 130 ) and - wherein the switching elements ( 162a . 162b . 162c . 162d ) of the control logic ( 155 ) are controllable, that the subtraction capacitor (C S ) at least for a certain period of time with the sample-and-hold capacitor (C SH ) is connectable. Elektronische Schaltungsanordnung gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Ladungssubtraktionseinrichtung (150) derart ausgebildet ist, dass der Subtraktionskondensator (CS) und der Abtast-Halte-Kondensator (CSH) in Form einer Parallelschaltung miteinander verbindbar sind.Electronic circuit arrangement according to the preceding claim, wherein the charge subtraction device ( 150 ) is formed such that the subtraction capacitor (C S ) and the sample-and-hold capacitor (C SH ) are connectable to each other in the form of a parallel connection. Elektronische Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 6, die Ladungssubtraktionseinrichtung (150) ferner aufweisend mehrere weitere Schaltelemente (164a, 164b), welche von der Steuerlogik (155) derart ansteuerbar sind, dass der Subtraktionskondensator (CS) zumindest für eine gewisse Zeitspanne mit zwei Referenzpotentialen (Uref, GND) verbindbar ist.Electronic circuit arrangement according to one of the preceding claims 5 to 6, the charge subtraction device ( 150 ) further comprising a plurality of further switching elements ( 164a . 164b ), which depends on the control logic ( 155 ) are controllable such that the subtraction capacitor (C S ) at least for a certain period of time with two reference potentials (U ref , GND) is connectable. Elektronische Schaltungsanordnung gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei ein erstes Referenzpotential mit dem Referenz-Signalpegel (Uref) identisch ist und/oder das zweite Referenzpotential ein Massepotential (GND) ist.Electronic circuit arrangement according to the preceding claim, wherein a first reference potential with the reference signal level (U ref ) is identical and / or the second reference potential is a ground potential (GND). Elektronische Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 8, wobei die Schaltelemente (162a, 162b, 162c, 162d) und die weiteren Schaltelemente (164a, 164b) von der Steuerlogik (155) derart ansteuerbar sind, dass der Subtraktionskondensator (CS) abwechselnd mit dem Abtast-Halte-Kondensator (CSH) und mit den beiden Referenzpotentialen (Uref, GND) verbindbar ist.Electronic circuit arrangement according to one of the preceding claims 7 to 8, wherein the switching elements ( 162a . 162b . 162c . 162d ) and the other switching elements ( 164a . 164b ) from the control logic ( 155 ) are controllable such that the subtraction capacitor (C S ) alternately with the sample-and-hold capacitor (C SH ) and with the two reference potentials (U ref , GND) is connectable. Elektronische Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 9, wobei die Schaltelemente (162a, 162b, 162c, 162d) und die weiteren Schaltelemente (164a, 164b) derart angeordnet sind und die Steuerlogik (155) derart eingerichtet ist, dass der Subtraktionskondensator (CS) mit wechselnder Polarität mit dem Abtast-Halte-Kondensator (CSH) und/oder mit den beiden Referenzpotentialen (Uref, GND) verbindbar ist.Electronic circuit arrangement according to one of the preceding claims 7 to 9, wherein the switching elements ( 162a . 162b . 162c . 162d ) and the other switching elements ( 164a . 164b ) are arranged and the control logic ( 155 ) is arranged such that the subtraction capacitor (C S ) with alternating polarity with the sample-and-hold capacitor (C SH ) and / or with the two reference potentials (U ref , GND) is connectable. Verfahren zum Konvertieren eines analogen Eingangssignals (Uanalog) in ein digitales Ausgangssignal (Udigital) mittels einer elektronischen Schaltungsanordnung, welche eine Abtast-Halte-Schaltung (110) mit einem Schalter (SSH) und einem Abtast-Halte-Kondensator (CSH) und einen Analog-zu-Digital-Wandler (120) aufweist, wobei der Analog-zu-Digital-Wandler (120) mit einem Ausgang (112) der Abtast-Halte-Schaltung (110) verbunden ist, das Verfahren aufweisend Zuführen des zu konvertierenden analogen Eingangssignals (Uanalog) zu einem Eingangsanschluss (102) der elektronischen Schaltungsanordnung, welcher mit einem Eingang der Abtast-Halte-Schaltung (110) verbunden ist, Vergleichen eines an dem Ausgang (112) der Abtast-Halte-Schaltung (110) anliegenden Signalpegels mit einem Referenz-Signalpegel (Uref) mittels einer Vergleichseinrichtung (130), welche mit dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung (110) verbunden ist, Entfernen einer vorgegebenen Ladungsmenge von dem Abtast-Halte-Kondensator (CSH) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung (130) mittels einer Ladungssubtraktionseinrichtung (150), welche mit einem Ausgang (C) der Vergleichseinrichtung (130) verbunden ist, so dass der an dem Ausgang (112) der Abtast-Halte-Schaltung (110) anliegende Signalpegel kleiner wird als der Referenz-Signalpegel (Uref), Konvertieren des an dem Ausgang (112) der Abtast-Halte-Schaltung (110) anliegenden Signalpegels in das digitale Ausgangssignal (Udigital), und Ausgeben des konvertierten digitalen Ausgangssignals (Udigital) an einem Ausgangsanschluss (182) der elektronischen Schaltungsanordnung.Method for converting an analogue input signal (U analogue ) into a digital output signal (U digital ) by means of an electronic circuit arrangement comprising a sample-and-hold circuit ( 110 ) with a switch (S SH ) and a sample-and-hold capacitor (C SH ) and an analog-to-digital converter ( 120 ), wherein the analog-to-digital converter ( 120 ) with an output ( 112 ) the sample and hold circuit ( 110 ), the method comprising supplying the analog input signal (U analog ) to be converted to an input terminal ( 102 ) of the electronic Circuit arrangement connected to an input of the sample-and-hold circuit ( 110 ), comparing one at the output ( 112 ) the sample and hold circuit ( 110 ) applied signal level with a reference signal level (U ref ) by means of a comparison device ( 130 ) connected to the output of the sample and hold circuit ( 110 ), removing a predetermined amount of charge from the sample-and-hold capacitor (C SH ) in response to an output signal of the comparison device ( 130 ) by means of a charge subtraction device ( 150 ) connected to an output (C) of the comparator ( 130 ), so that the at the output ( 112 ) the sample and hold circuit ( 110 ) is less than the reference signal level (U ref ), converting the at the output ( 112 ) the sample and hold circuit ( 110 ) present signal level in the digital output signal (U digital ), and outputting the converted digital output signal (U digital ) at an output terminal ( 182 ) of the electronic circuitry.
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