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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komparatorschaltung mit einer versteckten Hysterese und eine Methode zur Bestimmung des Anfangszustandes einer Komparatorschaltung mit einer versteckten Hysterese. Die Komparatorschaltung kann zwei parallel geschaltete Komparatoren und eine digitale Logikschaltung aufweisen, um ein analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal zu wandeln.
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Eine Komparatorschaltung bildet eine analoge Eingangsspannung in ein digitales 1-Bit-Ausgangssignal um. Das digitale Ausgangssignal hängt von dem analogen Eingangssignal und bestimmten Schwellspannungen der Komparatorschaltung ab, mit denen die Komparatorschaltung das Eingangssignal vergleicht.
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Um ein analoges Signal in ein 1-Bit-Ausgangssignal zu wandeln, wird oft ein Hysteresekomparator, bzw. ein Schmitt-Trigger verwendet, um hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken. Hochfrequentes Rauschen auf dem analogen Eingangssignal kann fehlerhaftes umschalten des digitalen Ausgangssignal verursachen. Die Komparatorschaltung mit einer Hysterese beseitigt unerwünschte Divergenzen in den „Cut-In-Point” bzw. „Cut-Out-Point”. Als „Cut-In-Point” bzw. ”Cut-Out-Point” werden die Stellen auf dem analogen Eingangssignal bezeichnet, bei denen die Komparatorschaltung ihren Zustand wechselt, bzw. bei welchen Stellen des analogen Eingangssignals das analoge Eingangssignal eine Komparatorschwelle der Komparatorschaltung passiert. Der „Cut-In-point” bzw. der „Cut-Out-Point” sind definiert als die Stellen auf dem analogen Eingangssignal, bei dem das analoge Eingangssignal die obere, bzw. die untere Komparatorschwelle passiert. Die Differenz zwischen dem „Cut-In-Point” und dem „Cut-out-Point” wird auch als Hysterese bezeichnet. Die Größe der Hysterese bestimmt den Grad der Rauschunterdrückung. Auf dem analogen Eingangssignal wird der Bereich den die Hysterese abdeckt auch als Totbereich bzw. „deadband” bezeichnet.
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Die Existenz eines Totbereiches, welcher notwendig ist um den Einfluss des Rausches zu unterdrücken ist unerwünscht, wenn das einbittige digitale Ausgangssignal das analoge Eingangssignal mit einer einzigen genauen Schwelle abtasten soll. Der Grad der Rauschunterdrückung ist daher proportional zur Abweichung des digitalen Ausgangssignals vom analogen Eingangssignal. Für eine Auswertung, bei der das digitale Ausgangssignal zu einer einzigen Schwelle korrespondiert soll und diese einzige Schwelle unabhängig von dem Totbereich, bzw. der Hysterese sein soll, ist der Totbereich unerwünscht.
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In der Regel wird ein Komparator am Ende eines analogen Signalpfades, nach einer analogen Verstärkung oder nach einer analogen Filterung, benötigt. Beispielsweise können analoge Schaltungen den analogen Ausgang eines Sensors auswerten. In einigen Anwendungen wird von Anfang an ein korrekter Wert des digitalen Ausgangssignals erwartet. Bei einer Umdrehungsge schwindigkeitsmessung mit einem Hallsensor wird nach dem Einschalten des Systems so schnell wie möglich ein korrekter Wert des digitalen Ausgangssignals erwartet, um damit beispielsweise die Drehrichtung korrekt zu bestimmen. Ein korrektes Ergebnis nach dem Einschalten des Systems ist nicht sofort zu erwarten, bzw. die Zeit die das System benötigt, um nach dem einschalten korrekt zu Antworten ist deutlich größer als Null. Als eine Konsequenz daraus, dass in einem Gesamtsystem eine Startzeit definiert werden muss, in der der Ausgang der Komparatorschaltung blockiert ist und stattdessen ein Fehlerwert oder ein vorbestimmter Grundwert bereit gestellt wird. Die Fähigkeit des Systems nach der Startphase einen korrekten Wert bereitzustellen ist eine wichtige Systemeigenschaft.
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Während einer Startphase eines Systems kann die erste Auswertung der Komparatorschaltung ungültig sein. Eine Komparatorschaltung mit einer Hysterese kann zu Beginn einer Startphase auf einen Default-Wert gesetzt werden, so dass der Ausgang der Komparatorschaltung seinen Zustand nur dann ändert, wenn entweder die untere Hystereseschwelle unterschritten wird oder die obere Hystereseschwelle überschritten wird. Das heißt, dass der Default-Wert der Komparatorschaltung falsch bzw. ungültig sein kann. Für periodische Signale hält dieser Zustand für mindestens eine Periode an.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Komparatorschaltung mit einer versteckten Hysterese bereitzustellen, bei der am Ausgang der Komparatorschaltung nach einer Startphase ein korrekter, bzw. gültiger Zustand anliegt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Relaissteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Komparatorschaltung mit einer versteckten Hysterese mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte Ausführungsformen.
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Eine Komparatorschaltung mit einer versteckten Hysterese umfasst einen Komparator, einen Hysteresekomparator, eine Auswerteschaltung, einen Eingang und einen Ausgang. Der Eingang ist mit einem Eingang des Komparators und mit einem Eingang des Hysteresekomparators verbunden. Der Komparator und der Hysteresekomparator sind mit Eingängen der Auswerteschaltung verbunden. Ein Ausgang der Auswerteschaltung ist mit dem Ausgang verbunden. Die Auswerteschaltung ist dazu ausgebildet, an dem Ausgang ein Ausgangssignal mit einen ersten oder einen zweiten Ausgangszustand bereitzustellen. Zur Bestimmung eines Anfangszustandes des Ausgangssignals wird zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangszustand geschaltet.
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Der Hysteresekomparator der Komparatorschaltung kann eine obere und eine untere Hystereseschwelle aufweisen. Das Schalten zwischen dem ersten und zweiten Ausgangszustand erfolgt dadurch, dass die obere und untere Hystereseschwelle vertauscht werden.
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Zur Bestimmung des Anfangszustandes der Komparatorschaltung kann zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal der Auswerteschaltung geschaltet werden.
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Nachdem eine Spannung, die höher ist als die spezifizierte Spannung, beispielsweise an einem Versorgungsspannungsanschluss einer integrierten Schaltung mit einen Hallsensor angelegt wird, kann die integrierte Schaltung mit einem Hallsensor in einen Modus übergehen, in dem die Eigenschaften der integrierten Schaltung mit einem Hallsensor nicht befriedigend sind. Deshalb kann die integrierte Schaltung mit einem Hallsensor für eine bestimmte Zeit in einen definierten Zustand versersetzt werden. Nach dieser Phase, die eine Startphase sein kann, sollte beispielsweise die integrierte Schaltung mit einem Hallsensor die Polarität eines externen magnetischen Feldes anzeigen. Wird nach einer Startphase der Ausgang der Komparatorschaltung mit einem Default-Wert belegt, kann, aufgrund der fehlenden Vorgeschichte, der Zustand des Ausgangs der Komparatorschaltung falsch sein. Wenn beispielsweise Anfangszustand des Ausgangs der Komparatorschaltung auf „low” gesetzt wurde, wird der Zustand des Ausgangs der Komparatorschaltung solange „low” bzw. falsch sein, bis das Signal am Eingang der Komparatorschaltung, zum Beispiel verursacht durch ein externes Magnetfeld die untere Hystereseschwelle der Komparatorschaltung unterschreitet.
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Die erfindungsgemäße Komparatorschaltung stellt sicher, dass nach der Startphase der Ausgang der Komparatorschaltung den richtigen Zustand aufweist. Beispielsweise stellt die erfindungsgemäße Komparatorschaltung die richtige Polarität eines externen Magnetfeldes nach einer Startphase fest.
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Das wird dadurch ermöglicht, dass erste überschreiten der oberen Hystereseschwelle oder das erste Unterschreiten der unteren Hystereseschwelle durch das Signal am Eingang der Komparatorschaltung erfasst wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass in einem ersten Ausführungsbeispiel sowohl die oberer als auch die untere Hystereseschwelle aktiv sind. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann es dadurch erreicht werden, indem mehrere Hysteresekomparatoren mit unterschiedlichen Hystereseschwellen verwendet werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann es dadurch erreicht werden, indem die Ausgänge eines Komparators mit den Ausgängen eines Hysteresekomparators verglichen werden, wenn sowohl am Eingang des Komparators als auch am Eingang des Hysteresekomparators das Gleiche Signal anliegt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Zustand am Ausgang der Hystereseschaltung dann gültig, wenn sowohl der Ausgang des Komparators als auch der Ausgang des Hysteresekomparators ein „High” anzeigen oder wenn sowohl der Ausgang des Komparators als auch der Ausgang des Hysteresekomparators ein „Low” anzeigen.
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Komparatorschaltungen mit versteckter Hysterese werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen näher erläutert, in denen
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1 eine Komparatorschaltung mit versteckter Hysterese zeigt,
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2 einen Signalverlauf einer Komparatorschaltung mit versteckter Hysterese zeigt,
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3 einen weiteren Signalverlauf einer Komparatorschaltung mit versteckter Hysterese zeigt,
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4 einen weiteren Signalverlauf einer Komparatorschaltung mit versteckter Hysterese zeigt.
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1 zeigt eine Komparatorschaltung 100 mit einer versteckten Hysterese. Diese Komparatorschaltung 100 umfasst einen Komparator 200, einen Hysteresekomparator 400, eine Auswerteschaltung 300, einen Eingang 110 und einen Ausgang 120. Der Eingang 110 ist mit einem Eingang des Komparators 200 und mit einem Eingang des Hysteresekomparators 400 verbunden. Der Komparator 200 und der Hysteresekomparator 400 sind mit Eingängen der Auswerteschaltung 300 verbunden. Ein Ausgang der Auswerteschaltung 300 ist mit dem Ausgang 120 verbunden. Die Auswerteschaltung 300 ist dazu ausgebildet, an dem Ausgang ein Ausgangssignal mit einen ersten oder einen zweiten Ausgangszustand bereitzustellen. Zur Bestimmung eines Anfangszustandes des Ausgangssignals wird zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangszustand geschaltet.
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2 zeigt einen Signalverlauf einer Komparatorschaltung mit versteckter Hysterese. Das Eingangssignal repräsentiert in diesem Fall die magnetische Feldstärke eines Polrades. Diese magnetische Feldstärke soll ausgewertet werden. Wie in der Figur an der rechten Seite des Signalverlaufes zu erkennen ist, wird die magnetische Feldstärke erst nach einer Einschwingphase korrekt ausgewertet. Im vorderen Teil der Signalverläufe ist zu erkennen, dass die versteckte Hysterese mindestens einmal überschritten werden muss, damit der folgende Signalverlauf korrekt ausgewertet wird.
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3 zeigt einen weiteren Signalverlauf einer Komparatorschaltung mit versteckter Hysterese. Auch hier ist zu erkennen, dass eine obere Hystereseschwelle mindestens einmal überschritten werden muss, oder eine untere Hystereseschwelle mindestens einmal unterschritten werden muss, damit der folgende Signalverlauf korrekt ausgewertet wird.
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4 zeigt einen weiteren Signalverlauf einer Komparatorschaltung mit versteckter Hyterese. Während und nach der Startphase, bzw. „Power On”-Phase werden die Hystereseschwellen verändert, so dass eine obere Hystereseschwelle mindestens einmal überschritten wird, oder eine untere Hystereseschwelle mindestens einmal unterschritten wird, so dass der folgende Signalverlauf korrekt ausgewertet wird.
