DE102013108511A1

DE102013108511A1 - Ladungsfluss-Frequenz-Wandler mit Fehler-Indikator

Info

Publication number: DE102013108511A1
Application number: DE102013108511.3A
Authority: DE
Inventors: Holger Flemming
Original assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Current assignee: GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-26

Abstract

Es wird vorgeschlagen, bei einem Ladungsfluss-Frequenz-Wandler (2, 34) zumindest eine Frequenz-Überschreitungs-Signalausgabeeinrichtung (29, 33) vorzusehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wandlervorrichtung zum Umwandeln eines Ladungsflusses in ein Frequenzsignal, welche zumindest einen Integrator sowie zumindest einen Komparator aufweist, wobei zumindest ein Integrator und zumindest ein Komparator hintereinander geschaltet sind und der Komparator bei Überschreiten eines integrierten Ladungsflusses relativ zu einem Schwellenwert ein Signal abgibt.
Ladungsfluss-Frequenz-Wandler werden verwendet, wenn ein elektrischer Ladungsfluss von typischerweise geringer Stärke gemessen werden muss. Derartige Ladungsflüsse treten beispielsweise bei Teilchenbeschleunigern (beispielsweise Elektronenteilchenbeschleuniger, Protonenteilchenbeschleuniger oder Ionenteilchenbeschleuniger, insbesondere Schwerionenteilchenbeschleuniger), bzw. bei Teilchendetektoren (beispielsweise zu Dosimetriezwecken, für Messanordnungen und dergleichen) auf. Die hierbei zu messenden Ströme liegen typischerweise im Bereich zwischen einigen 10 fA bis hin zu mehreren 100 µA. Es ist leicht einsichtig, dass bei derartig geringen Stromstärken „klassische Messverfahren“, die beispielsweise mit einem Spannungsabfall an einem Widerstand oder aber mit dem durch den Strom verursachten Magnetfeld (zum Beispiel Drehspulinstrumente) arbeiten, keine ausreichenden Genauigkeiten liefern oder sogar vollständig versagen.
In einigen Bereichen ist jedoch eine präzise Messung eines (Teilchen-)-Stroms (insbesondere Elektronenstrom oder Ionenstrom mit vergleichsweise geringer Stromstärke) mit hoher Genauigkeit erforderlich. Dies gilt insbesondere für manche Forschungsanwendungen, ganz besonders jedoch für den Bereich der Medizintechnik. Da mittlerweile Teilchenbeschleuniger sehr erfolgreich in der Medizintechnik verwendet werden (sowohl Elektronenbeschleuniger als auch Ionenbeschleuniger), besteht ein Bedarf an hochpräzisen Messgeräten und Messmethoden, die dennoch möglichst kostengünstig sein sollten.
Eine Möglichkeit derartige kleine elektrische Ströme mit hoher Genauigkeit messen zu können, besteht in der Verwendung von Ladungsfluss-Frequenz-Wandlern. Bei diesen wird der Ladungsfluss in einem Integrator über einen gewissen Zeitraum hinweg aufintegriert. Sobald eine gewisse Ladung im Integrator angesammelt wurde, wird ein Ausgangssignal ausgegeben und der Integrator gleichzeitig auf null zurückgestellt („geleert“), um auf diese Weise für einen neuen Messzyklus zur Verfügung zu stehen. Da die Frequenz der ausgegebenen Signale mit dem eingehenden Ladungsfluss korrespondiert, kann die Frequenz des Ausgangssignals als Maß für den Ladungsfluss verwendet werden.
Derartige Ladungsfluss-Frequenz-Wandler sind seit geraumer Zeit bekannt. Ein Problem bei diesen besteht darin, dass während der „Rückstellphase“ des Integrators kein Ladungsfluss gemessen werden kann. Hierdurch entsteht eine gewisse Messungenauigkeit. In manchen Anwendungsfeldern (wie beispielsweise in der Medizintechnik oder bei manchen Forschungsbeschleunigern) ist die damit einhergehende Messungenauigkeit nicht akzeptabel; in anderen Anwendungsfeldern ist sie zumindest unerwünscht. Daher wurde in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 198 41 308 A1 vorgeschlagen, zwei zueinander parallele Messzweige mit jeweils einem Integrator vorzusehen. Die beiden Integratoren sind dabei schaltungstechnisch derart miteinander verknüpft, dass der eingehende Ladungsfluss zunächst in einen ersten Zweig gelenkt wird. Sobald der erste Integrator-Zweig seinen Schwellenwert erreicht hat, gibt dieser ein Signal aus, schaltet das zu messende Signal auf den Eingang des anderen Integrator-Zweigs und setzt sich anschließend selbst zurück. Währenddessen füllt sich der zweite Integrator-Zweig und sobald hier der Schwellenwert erreicht wird, gibt dieser ein Signal aus, die Schaltung schaltet auf den ersten Integrator-Zweig zurück und der zweite Integrator-Zweig wird zurückgesetzt. Da während der „Totzeit“ des Integrator-Zweigs, in der dieser zurückgesetzt wird, der jeweils andere Integrator-Zweig die Messung des zu messenden Ladungsflusses übernimmt, kommt es nicht zu den beschriebenen unerwünschten Totzeitverlusten und damit nicht zu Messungenauigkeiten.
Ein Problem bei bekannten Ladungsfluss-Frequenz-Wandlern besteht in deren Verhalten bei unerwartet großen Ladungsflüssen. Oftmals zeigen Ladungsfluss-Frequenz-Wandler bei zu großen Ladungsflüssen sogar ein „Nullsignal“ an (das heißt, dass die Frequenz der ausgegebenen Signale auf null sinkt). Dies führt dazu, dass der ausgegebene Messwert zu falschen Schlüssen führen kann und es hierdurch leicht zu einer Überdosierung kommen kann. Dies ist insbesondere bei medizinischen Anwendungen überaus kritisch.
Dementsprechend besteht der Wunsch nach einem Ladungsfluss-Frequenz-Wandler, der bei Überschreiten eines maximalen Ladungsflusses, der vom Ladungsfluss-Frequenz-Wandler noch verarbeitet werden kann, ein Fehlersignal ausgibt, das den Eintritt dieses Fehlerzustands anzeigt. Darüber hinaus sollte die Ausgabe eines derartigen Fehlerzustands-Signals schaltungstechnisch besonders einfach realisiert sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Wandlervorrichtung zum Umwandeln eines Ladungsflusses in ein Frequenzsignal vorzuschlagen, welche gegenüber Wandlervorrichtungen zum Umwandeln eines Ladungsflusses in ein Frequenzsignal, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, verbessert ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe.
Es wird vorgeschlagen, eine Wandlervorrichtung zum Umwandeln eines Ladungsflusses in ein Frequenzsignal, welche zumindest einen Integrator sowie zumindest einen Komparator aufweist und bei der zumindest ein Integrator und zumindest ein Komparator hintereinander geschaltet sind und der Komparator bei Überschreiten eines integrierten Ladungsflusses relativ zu einem Schwellenwert ein Signal abgibt, mit zumindest einer Frequenz-Überschreitungs-Signalausgabeeinrichtung zu versehen. Typischerweise liegen die zu messenden Ströme beispielsweise bei Teilchenbeschleunigern bzw. bei Teilchendetektoren im Bereich von einigen 10 fA bis hin zu mehreren 100 µA, insbesondere zwischen 100 fA und 130 µA. Die Wandlervorrichtung kann dabei in beliebiger Weise aus diskreten Bauteilen, oder aber auch als integrierte Schaltung (insbesondere in einem ASIC (für „application specific integrated circuit“)) aufgebaut sein. Möglich ist es selbstverständlich auch, dass eine „teilweise Integration“ in einen integrierten Schaltkreis erfolgt, sodass zwar noch einige diskrete Bauteile vorhanden sind, ein vorzugsweise größerer Anteil an Bauelementen jedoch in den integrierten Schaltkreis integriert ist. Grundsätzlich ist eine möglichst weitgehende Integration in einen integrierten Schaltkreis von Vorteil. Einerseits können dadurch Kosten gespart werden, der erforderliche Bauraum kann verringert werden, es ist im Allgemeinen möglich, dass die Wandlervorrichtung mit weniger elektrischer Energie versorgt werden muss und darüber hinaus können Ladungsverluste (insbesondere auch von zu messendem Strom) weitgehend vermieden werden. Der Integrator wird üblicherweise derart ausgeführt, dass (Teile) des Ladungsflusses in eine Kapazität geleitet werden. Bevorzugt ist es, dass dabei die Größe der Kapazität geändert werden kann, um so die Wandlervorrichtung auf unterschiedliche Ströme anpassen zu können. Das „Umschalten“ zwischen verschiedenen Kapazitäten kann dabei hardwaremäßig erfolgen (indem beispielsweise externe Kapazitäten zu- oder abgeschaltet werden), aber auch eine geänderte Beschaltung (Verwendung unterschiedlicher Eingangs-Pins) bzw. eine geeignete Programmierung eines integrierten Schaltkreises. Typische Werte für die Kapazitäten liegen dabei im Bereich zwischen 2,5 pF und 25 pF, so dass sich bei typischen Ladungsflüssen im Bereich zwischen 100 fA und 130 µA eine für die weitere Bearbeitung vorteilhafte Ladungsauflösung (Ladungsmenge die erforderlich ist, um einen Impuls auszugeben) sowie Impulshäufigkeit ergeben kann. Es sind jedoch auch andere Kapazitäten denkbar, wie insbesondere 1 pF, 2 pF, 3 pF, 4 pF, 5 pF, 6 pF, 7 pF, 8 pF, 9 pF oder 10 pF als Untergrenze und/oder 10 pF, 20 pF, 30 pF, 40 pF, 50 pF, 60 pF, 70 pF, 80 pF, 90 pF oder 100 pF als Obergrenze. Besonders vorteilhaft ist es bei den genannten Kapazitäten, dass diese vergleichsweise problemlos in einem integrierten Bauelement zur Verfügung gestellt werden können, was entsprechende Vorteile mit sich bringen kann. Die vorgeschlagenen Kapazitätswerte sind insbesondere deshalb für integrierte Schaltkreise vorteilhaft, weil hier einen vorteilhafter „Kompromiss“ erzielt werden kann. Einerseits sind die Kapazitäten so groß, dass die parasitären Kapazitäten bei der Herstellung in der Regel im Wesentlichen vernachlässigt werden können; andererseits sind die Kapazitäten so klein, dass diese ökonomisch auf einem Halbleiterchip gefertigt werden können. Vorteilhaft ist es, wenn (im Falle einer „Umschaltbarkeit“ der Kapazität) eine „Kapazitätsdynamik“ mit einem Verhältnisfaktor von 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8, 1:9, 1:10, 1:15, 1:20, 1:25, 1:30, 1:40, 1:50 oder 1:100 zur Verfügung gestellt wird (wobei die genannten Werte sowohl einen unteren als auch einen oberen Intervallgrenzwert darstellen können). Von Vorteil ist insbesondere eine „dekadische Unterteilung“ (also insbesondere 1:10 oder 1:100), weil diese für die menschliche Vorstellung besonders nachvollziehbar ist. Hierbei ist es insbesondere möglich, einen vorteilhaften Kompromiss aus einfachem Aufbau einerseits und möglichst großer Anpassbarkeit an unterschiedliche Stromstärken andererseits zu realisieren. Typischerweise gibt der Integrator ein Ausgangssignal aus, welches der bereits akkumulierten Ladung entspricht. Bei einem gleichbleibenden Strom steigt somit beispielsweise ein Spannungs-Ausgangssignal linear mit der Zeit an. Sobald das Ausgangssignal einen bestimmten Wert überschreitet (Schwellenwert), erfolgt (vorzugsweise unter Ausnutzung des Komparators, wobei dieser insbesondere einen Vergleich zwischen dem Ausgangswert des Integrators und dem aktuellen Schwellenwert durchführt) eine Aktion. Die Aktion kann dabei unterschiedlicher Natur sein. Insbesondere ist es möglich, dass ein beispielsweise impulsartiges Ausgangssignal abgegeben wird (Frequenz-Signal als Ausgangssignal), eine Rückstellung des Integrators („Ladungslöschung“) oder aber auch eine Verstellung des Schwellenwerts erfolgt. Insbesondere ist es bei einer „Verstellung des Schwellenwerts“ möglich, ein vergleichsweise hochfrequentes Signal erzeugen zu können und darüber hinaus die Messgenauigkeit, insbesondere durch Vermeiden von Totzeiten, erhöhen zu können. Möglich ist es auch, dass der Schwellenwert erhöht wird und erst nach einer mehrfachen Erhöhung des Schwellenwerts ein Ausgabesignal erfolgt (wobei es möglich ist, dass bei jeder Anpassung des Schwellenwerts oder beispielsweise nur bei einer Rückstellung des Schwellenwerts ein Ausgangssignal ausgegeben wird). Die Schwellenspannung kann im Übrigen in beliebiger Weise durch ein externes Signal zur Verfügung gestellt werden, aber ebenso durch ein intern erzeugtes Signal. Die vorgeschlagene Frequenz-Überschreitungs-Signalausgabeeinrichtung kann insbesondere dann ein Signal ausgeben, wenn der eingehende Ladungsfluss derart hoch ist, dass die Wandlervorrichtung nicht mehr genügend Zeit hat, um sich zurückzustellen. Dies hat typischerweise zur Folge, dass das Ausgabesignal auf ein „Nullsignal“ abfällt (also keine Impulse, die jeweils den Eingang einer gewissen Ladungsmenge in den Integrator anzeigen, mehr ausgegeben werden). Dementsprechend steigt der Messfehler in üblicherweise nicht tolerierbarer Weise an. Insbesondere für medizinische Anwendungen ist ein derartiges fehlerhaftes Signal in aller Regel nicht tolerierbar. (Das vorgeschlagene Verhalten ist insbesondere auch für den Fall vorteilhaft verwendbar, dass zwei oder mehr Integrator-Zweige vorhanden sind, worauf im Folgenden noch näher eingegangen wird; hier führt ein zu hoher Ladungsfluss dazu, dass der Integrator-Zweig schneller gewechselt werden muss, als es der Rückstellzeit eines Integrators entspricht.) Das Ausgangssignal der Frequenz-Überschreitungs-Signaleinrichtung kann beispielsweise als eine Art Fehlersignal (insbesondere ein so genanntes „Flag-Signal“) verwendet werden, sodass beispielsweise eine Notabschaltung der Anlage, für die die Wandlervorrichtung verwendet wird, erfolgen kann, da ein sicherer Betrieb derselben nicht mehr gewährleistet werden kann. Nach einer derart erfolgten Notabschaltung ist es beispielsweise möglich, den Teil der Anlage, der das Messsignal erzeugt, neu zu justieren (beispielsweise einen Teilchenstrahl auf eine geringere Teilchenfluenz einstellen). Möglich ist es aber auch, dass das Fehlersignal dazu verwendet wird, dass die Wandlervorrichtung entweder manuell oder automatisch auf eine niedrigere Empfindlichkeit umgestellt wird. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass die Wandlervorrichtung eine oder mehrere Kapazitäten hinzuschaltet bzw. eine oder mehrere Kapazitäten hinzugeschaltet werden. Das Ausgangssignal der Frequenz-Überschreitungs-Signaleinrichtung kann als „Triggersignal“ für eine derartige Umschaltung genutzt werden. Gleichzeitig ist es möglich, dass das Frequenz-Überschreitungs-Ausgangssignal nach wie vor als Notabschaltungssignal verwendet wird, wobei im Falle einer Umschaltung (insbesondere einer automatischen Umschaltung) der Eingangsempfindlichkeit der Wandlervorrichtung bevorzugt keine „dauerhafte“ Notabschaltung der Anlage erfolgt, sondern lediglich eine „temporäre Notabschaltung“ (also ein kurzzeitiges Unterbrechen der Teilchenstrahlapplikation oder dergleichen).
Es wird vorgeschlagen, die Wandlervorrichtung derart auszubilden, dass die Frequenz-Überschreitungs-Signalausgabeeinrichtung zumindest einen Fehlerindikations-Komparator und/oder eine Signalinversions-Einrichtung aufweist, wobei die Signalinversions-Einrichtung vorzugsweise als Exklusiv-Oder-Logikbaustein ausgebildet ist. Erste Versuche haben ergeben, dass der vorgeschlagene Aufbau besonders geeignet ist, um auf einfache, aber dennoch effektive Weise, ein Fehlersignal zu erzeugen, mit dem beispielsweise eine Notabschaltung realisiert werden kann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Wandlervorrichtung derart durchzuführen, dass der Fehlerindikations-Komparator ein Komparatorbauteil aufweist, wobei vorzugsweise der invertierende Eingang des Komparatorbauteils mit einem Ladungsfluss-Referenzsignal und/oder der nicht-invertierende Eingang des Komparatorbauteils mit einem Ausgangssignal des Integrators verbunden ist. Die vorgeschlagene Beschaltung erweist sich insbesondere vorteilhaft für die Funktion des Fehlerindikations-Komparators, insbesondere in Kombination. Komparatorbauteile haben sich zur Messung kleiner Ströme bzw. Spannungen und/oder zum Vergleich vergleichsweise niedriger Spannungen mit Referenzspannungen (zum Beispiel Schwellenspannungen) (durch entsprechende Beschaltung der Eingänge und gegebenenfalls entsprechende Rückkopplung) bewährt. Insbesondere können Komparatorbauteile besonders hochohmig ausgeführt werden, sodass die auftretenden Verlustströme besonders niedrig sind. Ein derartiges Verhalten ist insbesondere für den vorliegend vorgeschlagenen Einsatz (Messung kleiner Ladungsflüsse) besonders vorteilhaft. Das Komparatorbauteil kann dabei insbesondere die Spannung messen (und mit einer Referenzspannung bzw. einer Schwellenspannung, insbesondere mit der Ladungsfluss-Referenzspannung, vergleichen), die sich durch Ansammlung („Aufintegration“) in einer Kapazität ergibt. Weiter bevorzugt ist es, wenn als Komparatorbauteile, Komparatorbauteile mit MOS-FET-Eingängen verwendet werden, da diese besonders hochohmig und damit besonders verlustarm sind.
Bevorzugt ist es, wenn die Wandlervorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese zumindest zwei zueinander parallel geschaltete Integratoren bzw. Integrator-Zweige aufweist, die wechselweise mit dem Ladungsfluss beaufschlagt werden. Mit einem derartigen Aufbau ist es insbesondere möglich, dass die Totzeit, die während einer Rücksetzung eines Integrator auftritt (und prinzipbedingt in aller Regel nicht vermeidbar ist; erfolgt beispielsweise durch Entladen der Kapazitäten), nicht zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit durch „Verlust von zu messenden Ladungsträgern“ kommt. Denn gemäß der vorgeschlagenen Weiterbildung kann der Ladungsfluss während dieser Totzeit durch den jeweils anderen Integrator gemessen werden. Dadurch kann die Messgenauigkeit auf einfache Weise signifikant erhöht werden. Wobei es im Übrigen durchaus möglich ist, dass insbesondere über kurze Zeitintervalle hinweg auch beide Integratoren „gleichzeitig“ mit einem Ladungsfluss beaufschlagt werden (wobei im Falle von zwei Integratoren jeder Integrator im Wesentlichen mit dem halben Ladungsfluss beaufschlagt wird), um Umschaltphasen besonders vorteilhaft zu gestalten und hierdurch beispielsweise die Messgenauigkeit noch weiter zu erhöhen. Möglich ist es aber ebenso, dass lediglich ein einzelner Integrator bzw. ein einzelner Integrator-Zweig genutzt wird. Ein derartiger Aufbau der Wandlervorrichtung ist meist besonders einfach und daher besonders günstig. Der Verlust an „gemessenem Ladungsfluss“ kann dabei zumindest teilweise dadurch kompensiert werden, dass beispielsweise die Totzeit durch einen Korrekturfaktor „numerisch ausgeglichen“ wird. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um eine echte Messung, sondern lediglich um eine Art „Simulation“, bei der insbesondere Ladungsträgerspitzen bzw. kurzzeitige Aussetzer nicht erfasst werden. Es ist denkbar, dass lediglich einer der beiden Integrator-Zweige mit der vorgeschlagenen Frequenz-Überschreitungs-Signalausgabeeinrichtung versehen wird. Hierdurch kann schaltungstechnischer Aufwand verringert werden und dennoch eine nach wie vor gute „zeitliche Auflösung“ hinsichtlich des Eintretens eines Fehlerfalls erzielt werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn zwei Integrator-Zweige (bzw. eine Mehrzahl von, bevorzugt im Wesentlichen alle, besonders bevorzugt alle Integrator-Zweige) mit einer Frequenz-Überschreitungs-Signalausgabeeinrichtung versehen werden. In einem derartigen Fall kann eine besonders hohe Sicherheit erzielt werden, sodass ein Fehlerfall (sofern er denn eintritt) besonders sicher und insbesondere auch besonders schnell erkannt wird. Hierdurch können unerwünschte bzw. unzulässige Überdosierungen besonders bevorzugt auf ein besonders geringes Maß reduziert werden (welches in aller Regel im Wesentlichen vernachlässigbar ist).
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Wandlervorrichtung derart auszubilden, dass diese zumindest eine Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung aufweist, mit der die Wandlervorrichtung wahlweise auf einen positiven oder auf einen negativen Ladungsfluss eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann eine besonders universelle Verwendbarkeit der vorgeschlagenen Wandlervorrichtung realisiert werden. Insbesondere kann ein- und dieselbe Wandlervorrichtung für unterschiedliche Anwendungsfälle genutzt werden. Dadurch muss nur eine einzelne Wandlervorrichtung produziert werden, unabhängig davon, ob positive oder negative Ladungsflüsse zu messen sind. Aufgrund der schnellen Umstellbarkeit der Wandlervorrichtung ist es darüber hinaus auch möglich, dass die Wandlervorrichtung auch dann verwendet werden kann, wenn zeitweise positive, zeitweise negative Ladungsflüsse zu messen sind. Die Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung kann im Übrigen auf unterschiedliche Weise realisiert werden. So ist beispielsweise an eine vollautomatische Umstellung zu denken. Ebenso ist es jedoch auch möglich, dass die Wandlervorrichtung, je nach vorhandener Strompolarität, über einen unterschiedlichen Eingangsanschluss mit Strom beaufschlagt werden muss (wobei gegebenenfalls eine Umschaltvorrichtung, welche sowohl extern als auch intern ausgebildet sein kann, vorgesehen werden kann). Insbesondere ist es auch möglich, dass eine Umstellung auf unterschiedliche Stromrichtungen durch eine Programmierung der Wandlervorrichtung erfolgt und eine gegebenenfalls erforderliche Umschaltung durch intern vorgesehene Schaltelemente zur Verfügung gestellt wird.
Eine weitere mögliche Ausbildungsweise der Wandlervorrichtung ergibt sich, wenn bei der Wandlervorrichtung die Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung den Integrator und/oder den Komparator vorzugsweise wechselseitig mit jeweils einer von zwei Ladungsfluss-Referenzspannungen versorgt. Die Ladungsfluss-Referenzspannungen können sich dabei hinsichtlich ihrer Höhe und/oder ihrem Vorzeichen unterscheiden. In aller Regel ist es sinnvoll, dass sich die Ladungsfluss-Referenzspannungen im Wesentlichen lediglich hinsichtlich ihres Vorzeichens unterscheiden. Hierdurch kann sowohl für positive als auch für negative Ladungsflüsse ein annähernd gleiches Messverhalten der Wandlervorrichtung realisiert werden. Im Übrigen ist es grundsätzlich möglich, dass die Ladungsfluss-Referenzspannungen durch „externe Bauteile“ zur Verfügung gestellt werden. Ebenso ist es aber auch möglich, dass die Ladungsfluss-Referenzspannungen von der Wandlervorrichtung selbst zur Verfügung gestellt werden, insbesondere auch von einem Teil der Wandlervorrichtung, der in Form eines integrierten Schaltkreises ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn bei der Wandlervorrichtung die Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung zumindest eine Wechselschaltereinrichtung aufweist. Hierdurch können sowohl für den Integrator, als auch für den Komparator jeweils die gleichen Ladungsfluss-Referenzspannungen genutzt werden. Diese werden mittels der Wechselschaltereinrichtung jeweils „passend“ dem Integrator bzw. dem Komparator zugeführt. Hierdurch kann die Anzahl der vorzusehenden Referenzspannungen vorteilhaft verringert werden, was den Bauaufwand zu verringern hilft. Die Wechselschaltereinrichtung kann dabei entweder mittels mechanischer Kontakte, aber ebenso auch mittels elektronischer Schalter geschaltet werden. Unter einer „Wechselschaltereinrichtung“ ist insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, bei der in einem ersten Schaltzustand eine erste Spannung an den Integrator und eine zweite Spannung an den Komparator angelegt wird, während in einem zweiten Schaltzustand eine zweite Spannung an den Integrator und eine erste Spannung an den Komparator angelegt wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Wandlervorrichtung derart auszubilden, dass dem Komparator eine vorzugsweise bedingte Signalinversions-Einrichtung nachgeschaltet ist, welche bevorzugt in Abhängigkeit der Stellung der Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung invertierend wirkt. Die Signalinversions-Einrichtung kann dabei insbesondere als Exklusiv-Oder-Logikbaustein ausgebildet sein. Es hat sich gezeigt, dass bei einem üblichen Aufbau der Wandlervorrichtung, insbesondere dann, wenn ein Ausgangssignal eines Integrators einem Komparator zugeführt wird und dort mit einer Ladungsfluss-Referenzspannung und/oder einer Schwellenspannung verglichen wird, die Signalausgabelogik der Wandlervorrichtung (zunächst) unterschiedlich ist, je nachdem, ob ein positiver oder ein negativer Ladungsfluss gemessen wird. Wenn in Abhängigkeit von der Polarität des gemessenen Ladungsflusses eine Signalinversions-Einrichtung eingeschaltet bzw. abgeschaltet wird, so kann trotz der unterschiedlichen Polarität des Ladungsflusses die „Ausgabelogik“ der Wandlervorrichtung gleich bleiben. Dies ist für eine weitere Bearbeitung des von der Wandlervorrichtung ausgegebenen Signals besonders förderlich. Insbesondere kann die Wandlervorrichtung dann besonders einfach als „drop in“-Lösung eingesetzt werden.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn bei der Wandlervorrichtung der Integrator einen Operationsverstärker aufweist und insbesondere das Ladungsfluss-Eingangssignal mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und/oder die Ladungsfluss-Referenzspannung mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden sind. Sinnvoll ist es, wenn die Integrationskapazität im Gegenkopplungszweig zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers angeordnet wird. Operationsverstärker sind Differenzverstärker, die eine sehr hohe Verstärkung und einen hohen Eingangswiderstand aufweisen. Die vorgeschlagene Schaltungsvariante hat sich besonders bewährt, da der Operationsverstärker zur Entkopplung des Eingangs vom Integrationssignal dienen kann. Der Eingang kann konstant auf der Spannung gehalten werden, die über den nicht-invertierenden Eingang vorgegeben wird. Dementsprechend ist es sinnvoll, den nicht-invertierenden Eingang mit der Ladungsfluss-Referenzspannung zu verbinden. Das bereits vorab über Komparatoren bzw. Komparatorbauteile Gesagte (hochohmige Eingänge, Beschaltungsmöglichkeiten, Charakteristika, usw.) gilt auch für Operationsverstärker weitgehend in Analogie. Dementsprechend erweist sich eine Verwendung von Operationsverstärkern in diesem Zusammenhang als vorteilhaft. Insbesondere die vorgeschlagene Beschaltung (insbesondere wenn sie in Kombination realisiert wird) hat sich als vorteilhaft für die Erzeugung des erwünschten Frequenz-Ausgangssignals erwiesen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Wandlervorrichtung derart auszuführen, dass der Komparator ein Komparatorbauteil aufweist und insbesondere das Ausgangssignal des Integrators mit dem nicht-invertierenden Eingang des Komparatorbauteils und/oder eine Schwellenspannung mit dem invertierenden Eingang des Komparatorbauteils verbunden ist. Bei der Schwellenspannung kann es sich insbesondere um eine Schwellenspannung handeln, die von einem Digital-Analogwandler generiert wird. Die bereits im Zusammenhang mit dem Integrator beschriebenen Vorteile von Komparatoren bzw. Komparatorbauteil gelten auch für den/die vorliegenden Komparator(en) in Analogie. Dementsprechend sind auch hier Komparatorbauteile von Vorteil. Die vorgeschlagene Beschaltung (insbesondere in Kombination) ist dabei besonders geeignet, um die Funktionalität der Wandlervorrichtung auf einfache und effektive Weise zu realisieren.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei der Wandlervorrichtung das Ausgangssignal des Komparators und/oder das Ausgangssignal der Signalinversions-Einrichtung einer Impulsformungs-Einrichtung zugeführt wird. Auf diese Weise kann jedes Mal, wenn „eine Einheit“ des Ladungsflusses abgegeben wurde, ein definierter Impuls abgegeben werden. Die Impulsformungs-Einrichtung kann dabei dazu verwendet werden, ein Signal in die Wandlervorrichtung zurückzuführen (beispielsweise um ein Umschalten des „aktiven Integrator-Zweigs“ zu bewirken), oder um eine Rückstellung eines Integrators zu bewirken. Auch ist es möglich, dass ein derartiges erzeugtes Impulssignal zur Erhöhung einer Schwellenspannung am Komparator dient, sodass vor einer Rücksetzung des Integrators und/oder einem Wechsel des Integrator-Zweigs der betreffende Integrator „mehrfach hochzählt“ und auf diese Weise Schaltvorgänge (und gegebenenfalls auch Totzeiten) reduziert werden können, auch wenn vergleichsweise große Ladungsflüsse von der Wandlervorrichtung zu messen sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Wandlervorrichtung mit einer digitalen Zählereinrichtung und/oder mit einem Digital-Analogwandler zu versehen, welche dem Komparator unterschiedliche Vergleichsspannungen zuführen kann, insbesondere in Abhängigkeit von einem Ausgangswert des Komparators, bevorzugt in Abhängigkeit von einem Zählwert der Zähleinrichtung. Auf diese Weise kann die Anzahl der Rückstellvorgänge bei den Integratoren der Wandlervorrichtung verringert werden. Dies kann insbesondere Totzeiten und Messfehler bei den Komponenten der Wandlervorrichtung vermindern helfen. Je nach Ausführungsweise kann dabei dennoch eine hohe Frequenz bei vergleichsweise geringen Ladungsflüssen ausgegeben werden, sodass eine vergleichsweise hohe Sensitivität der Wandlervorrichtung realisiert werden kann. Bei einer diesem Vorschlag folgenden Bauausführung folgt die dem Komparator zugeführte Schwellenspannung in der Regel einer Art treppenförmigen Sägezahnkurve. Bei jeder Stufe nach oben kann dabei ein Frequenzimpuls ausgegeben werden (nicht nur an den Digital-Analogwandler oder an die digitale Zähleinrichtung, sondern insbesondere auch an einen Ausgangsanschluss der Wandlervorrichtung). Unter einer digitalen Zähleinrichtung können sowohl positiv, als auch negativ zählende Zählwerke verstanden werden. Bevorzugt handelt es sich um eine Zähleinrichtung, die in Abhängigkeit von einem Eingangssignal bzw. einer Programmierung sowohl als Aufwärtszählereinrichtung als auch als Abwärtszählereinrichtung verwendet werden kann. Möglich ist es, dass die Zähleinrichtung die Möglichkeit für eine Rückstellung (Anlegen eines Rückstellsignals) aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann die Zähleinrichtung auch mit einem „Überlauf“ versehen sein, derart, dass die Zähleinrichtung nach dem durchlaufen einer bestimmten Anzahl von Zählschritten selbsttätig wieder zurückspringt (beispielsweise nach 4 Schritten, nach 8 Schritten, nach 16 Schritten, nach 32 Schritten oder dergleichen) erneut „auf Anfang zurückspringt“.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei der Wandlervorrichtung ein Digital-Analogwandler-Spannweiten-Signal-Eingabemittel vorgesehen wird. Hier kann beispielsweise durch eine Programmierung vorgegeben werden, nach wie viel ansteigenden Schritten die dem Komparator zugeführte Schwellenspannung wieder auf null zurückspringt. Beispielsweise kann vorgegeben werden, dass nach vier, acht oder sechzehn Steigerungsschritten die Schwellenspannung erneut auf null zurückspringt (wobei gegebenenfalls – falls vorhanden – auf den anderen Integrator-Zweig umgeschaltet wird). Durch eine derartige (vorherige) Programmierung kann die Wandlervorrichtung vorteilhaft auf unterschiedliche zu erwartende bzw. zu messende Eingangs-Ladungsflüsse eingestellt werden, sodass die Wandlervorrichtung besonders universell eingesetzt werden kann.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, bei der Wandlervorrichtung ein Rückstellsignal-Ausgabemittel vorzusehen, welches einen Integrator zurückstellt und bevorzugt einen anderen Integrator aktiviert. Mit einem derartigen Rückstellsignal kann die Wandlervorrichtung dezidiert und kontrolliert „intern gesteuert“ werden. Insbesondere kann das Rückstellsignal-Ausgabemittel Eingangsschaltern zugeführt werden, die den Eingangs-Ladungsfluss unterschiedlichen Integrator-Zweigen zuführen. Darüber hinaus kann durch das Rückstellsignal-Ausgabemittel die „Rückstellung“ eines Integrators bewirkt werden und gegebenenfalls auch ein Digital-Analogwandler (der insbesondere ein Schwellensignal für einen Komparator bereitstellt) bzw. eine digitale Zähleinrichtung auf „null zurückgestellt“ werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei der Wandlervorrichtung zumindest eine sich selbsttätig einstellende Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung vorgesehen wird. Bei einer derartigen, besonders bevorzugten Bauausführung der Wandlervorrichtung ist üblicherweise nicht einmal eine Vorprogrammierung der Wandlervorrichtung dahingehend erforderlich, ob ein positiver oder negativer Ladungsfluss gemessen werden soll. Mit einer derartigen Bauausführung ist die Wandlervorrichtung besonders fehlersicher und besonders universell zu verwenden (wobei es selbstverständlich möglich ist, die Wandlervorrichtung mit einer Art „Erwartungswert“ vorzuprogrammieren). Insbesondere kann im Falle von mehreren Zweigen ein Zweig einem in der „Integrierreihenfolge“ nachfolgenden Zweig einen derartigen „Erwartungswert“ mitteilen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Wandlerkern in einem schematischen Blockschaltbild;
2: ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Wandlerkern in einem schematischen Blockschaltbild;
3: ein Ausführungsbeispiel für einen Wandler mit zwei Integrator-Zweigen und wechselweiser Zweigansteuerung.
In 1 ist ein erstes denkbares Ausführungsbeispiel für einen Wandlerkern 2 dargestellt, der beispielsweise für einen Ladungsfluss-Frequenz-Wandler 1 („Wandlervorrichtung zum Umwandeln eines Ladungsflusses in ein Frequenzsignal“) mit zwei parallelen, wechselweise betriebenen Integrator-Zweigen 3a, 3b verwendet werden kann. Auch wenn ein derartiger Betrieb mit zwei wechselweise betriebenen Integrator-Zweigen 3a, 3b hinsichtlich des weitgehenden Ausschlusses von Messfehlern durch Totzeiten besonders bevorzugt ist, so sind dennoch andere Verwendungsweisen des Wandlerkerns 2 denkbar. Der zu messende Ladungsfluss 4 wird über eine Eingangsklemme (In) dem eigentlichen Integrator 5 zugeführt. Der Integrator 5 besteht im Wesentlichen aus einem Operationsverstärker 6 und einer Kapazität 7a, 7b. Darüber hinaus ist ein Rückstellschalter 8 vorgesehen, mit dem die Kapazitäten 7a, 7b entladen werden können, sodass der Integrator 5 für einen weiteren Messzyklus zur Verfügung steht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kapazität 7 in zwei Teilkapazitäten 7a, 7b aufgeteilt, wobei eine der beiden Teilkapazitäten 7b über einen Zuschalter 10 bedarfsweise zugeschaltet werden kann. Beispielsweise handelt es sich bei der (immer verwendeten) ersten Kapazität 7a um eine Kapazität von 2,5 pF. Hierzu parallel geschaltet ist eine über den Zuschalter 10 zuschaltbare zweite Kapazität 7b von 22,5 pF vorgesehen, sodass die Gesamtkapazität 7 des Integrators 5 zwischen 2,5 pF und 25 pF verstellt werden kann. Durch die Umschaltung können Ladungsflüsse 4 mit unterschiedlicher Auflösung (erforderliche Ladungsmenge, um einen Ausgangsimpuls zu erzeugen) gemessen werden, wobei sich bei höherer zugeschalteter Gesamtkapazität 7 naturgemäß auch die Empfindlichkeit des Integrators 5 verringert. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Empfindlichkeit des Wandlerkerns 2 (die neben der Kapazität auch durch den Spannungshub des Integrators 5 und der Anzahl der Zählschritte des Auf- und Abwärtszählers 27 bestimmt ist) bei niedriger Kapazität (nur erste Kapazität 7a zugeschaltet) 250 fC, wohingegen sie bei größerer Kapazität (zweite Kapazität 7b zugeschaltet) 2,5 pC beträgt. Darausund aus der Geschwindigkeit des Aufbaus 2 ergibt sich demgegenüber im Wesentlichen der maximale Messstrom 4. Im dargestellten Beispiel beträgt die Höhe des maximalen Messstroms 4 13 µA bzw. 130 µA. Der minimale Messstrom wird durch Leckströme bestimmt, die in der praktischen Realisation nicht zu vermeiden sind. Im vorliegenden Aufbau liegen sie in der Größenordnung von 100 fA. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Kapazität 7b durch eine vorherige Programmierung des Wandlerkerns 2 vorab eingestellt. Insbesondere ist der vorliegend dargestellten Wandlerkern 2 (zusammen mit weiteren Komponenten) in Form eines integrierten Schaltkreises (ASIC) ausgebildet.
Weiterhin ist im Integrator 5 ein Eingangsschalter 9 zu sehen, mit dem der Integrator 5 mit dem Ladungsfluss 4 verbunden werden kann bzw. von diesem getrennt werden kann. Ein derartiger Eingangsschalter 9 ist insbesondere erforderlich, wenn der Wandlerkern 2 in einem Ladungsfluss-Frequenz-Wandler 1 mit zwei Integrator-Zweigen 3a, 3b verwendet wird. Durch wechselweises Schalten des Eingangsschalters 9 kann dann nämlich der jeweils andere Integrator-Zweig 3a, 3b verwendet werden, wenn der „dargestellte“ Wandlerkern 2 durch Schließen des Rückstellschalters 8 zurückgestellt wird, wodurch eine Totzeit auftritt, während der prinzipbedingt keine Messung erfolgen kann.
Der Ladungsfluss 4 wird, wie man 1 entnehmen kann, dem invertierenden Eingang 11 des Operationsverstärkers 6 zugeführt. Dem nicht-invertierenden Eingang 12 des Operationsverstärkers 6 im Integrator 5 wird dagegen eine erste Referenzspannung 13a (V_max) bzw. eine zweite Referenzspannung 13b (V_min) zugeführt („Ladungsfluss-Referenz-Signal“). Die Selektion der Referenzspannung 13 erfolgt durch ein Polaritätssignal 14, welches beispielsweise über eine vorherige Programmierung des Wandlerkerns 2 angibt, ob positive oder negative Ladungsflüsse 4 zu messen sind (wobei die entsprechende Selektion auch durch andere Eingaben, wie insbesondere durch Verwendung von bestimmten, schaltungstechnischen Maßnahmen, getroffen werden kann). Sind negative Ladungsflüsse 4 zu messen, wird die niedrigere (üblicherweise negative) zweite Referenzspannung 13b (V_min) gewählt, damit die Ausgangsspannung 15 (V_Ramp) des Integrators 5 von kleinen Spannungen aus (auf positive Werte) ansteigen kann. Bei positiven Ladungsflüssen 4 wird dagegen die erste (typischerweise positive) Referenzspannung 13a (V_max) gewählt, damit die Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 von einem hohen Wert ausgehend absinken kann.
Die Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 wird zum einen dem nicht-invertierenden Eingang 17 eines Komparators 16 (K1) zugeführt. Am invertierenden Eingang 18 des Komparators 16 liegt dagegen eine Schwellenspannung 19 (V_Thres) an, die von einem Digital-Analogwandler 20 erzeugt wird. Bei der Messung negativer Ladungsflüsse 4 liegt die Schwellenspannung 19 des Komparators 18 zunächst über der Ausgangsspannung 15 des Integrators 5. Sobald hinreichend Ladung in den Kapazitäten 7 integriert wurde, übersteigt die Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 schließlich die Schwellenspannung 19 und die Ausgangsspannung 21 des Komparators wechselt auf einen hohen Wert (high Level).
Werden dagegen positive Ladungsflüsse 4 gemessen, liegt die Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 zunächst auf einem hohen Wert und insbesondere über der Schwellenspannung 19. Nach einer ausreichenden Integration von Ladung in der Kapazität 7 wird die Ausgangsspannung 15 zu einem gewissen Zeitpunkt die Schwellenspannung 19 unterschreiten. Dementsprechend wechselt die Ausgangsspannung 21 des Komparators 18 zu diesem Zeitpunkt von einem hohen Pegel (high Level) auf einen niedrigen Pegel (low Level).
Da man unabhängig von der Polarität des zu messenden Ladungsflusses 4 ein stets gleiches Ausgangssignal haben möchte, muss das Ausgangssignal 21 des Komparators 16 selektiv invertiert werden. Hierzu wird die Ausgangsspannung 21 des Komparators 16 einem Exklusiv-Oder-Logikbaustein 22 (XOR-Gatter) zugeführt, bei dem der andere Eingang mit dem Polaritätssignal 14 verbunden ist.
Das derart bereinigte Ausgangssignal 23 wird einerseits zur Weiterverarbeitung an weitere elektronische Bauteile ausgegeben (Ausgang 24; „Out“). Weiterhin wird das bereinigte Ausgangssignal 23 einem Pulsformer 25 zugeführt, der einen kurzen Puls fester Länge erzeugt. Die derart geformten Pulse 26 werden auf den Takteingang eines Auf- und Abwärtszählers 27 gegeben. Bei der Messung negativer Ladungsflüsse 4 muss der Auf- und Abwärtszähler 27 als Aufwärtszähler arbeiten, bei der Messung positiver Ladungsflüsse 4 dagegen als Abwärtszähler. Aus diesem Grund wird der Auf- und Abwärtszähler 27 ebenfalls mit dem Polaritätssignal 14 versorgt. Das Ausgangssignal des Auf- und Abwärtszählers 27 wird schließlich einem Digital-Analogwandler 20 zugeführt, der die Schwellenspannung 19 erzeugt, wobei die Schwellenspannung 19 insbesondere über mehrere Stufen hinweg gesteigert werden kann, bevor eine Rückstellung des Integrators 5 erforderlich ist. Die Bandbreite der vom Digital-Analogwandler 20 ausgegebenen Schwellenspannungen 19 wird durch zwei Spannungspegel 28 (V_high, V_low) („Digital-Analogwandler-Spannweiten-Signal“) vorgegeben.
Weitere Details zu diversen Aspekten des Wandlerkerns 2 bzw. des Ladungsfluss-Frequenz-Wandlers 1 können insbesondere der Deutschen Offenlegungsschrift DE 198 41 308 A1 entnommen werden, deren Offenbarungsgehalt als vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung aufgenommen gelten soll.
Bei realen Bauelementen, wie bei den vorliegend verwendeten Integratoren 5, Komparatoren 16, Zählern 27 und Digital-Analogwandlern 20 gibt es Zeitverzögerungseffekte, die dazu führen, dass die Schwellenspannung 19 erst mit einer gewissen Verzögerung τ_del (del für delay = Verzögerung) angepasst wird. Dieses τ_del bestimmt die maximale Ausgangsfrequenz des Wandlerkerns 2 (bzw. des Ladungsfluss-Frequenz-Wandlers 1). Es gilt dabei die Beziehung f_max = 1/τ_del, wodurch auch der maximal messbare Ladungsfluss 4 I_n,max bestimmt ist. Ist der Ladungsfluss 4 (In) höher als der maximal zulässige Wert I_n,max, wäre während der Zeit τ_del, die der Wandlerkern 2 für die Anpassung der Schwellenspannung 19 benötigt, bereits die nächste Anpassung der Schwellenspannung 19 erforderlich. Dies hat zur Folge, dass die Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 dauerhaft über der Schwellenspannung 19 bleibt (da die Ausgangsspannung 15 schneller steigt, als die Schwellenspannung 19 folgen kann), wobei in der Regel auch die Schwellenspannung 19 „einfriert“ und nicht weiter der Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 folgt. Die Ausgangsspannung 15 steigt daher weiter an, bis der Operationsverstärker 6 des Integrators 5 in Sättigung geht.
Um diesen Fehlerzustand zu erkennen, wird ein weiterer Komparator, ein Fehlererkennungs-Komparator 29, vorgesehen. Dabei ist der nicht-invertierende Eingang 30 des Fehlererkennungs-Komparators 29 mit der Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 verbunden, wohingegen der invertierende Eingang 31 des Fehlererkennungs-Komparators 29 mit einer der beiden Referenzspannungen 13a, 13b verbunden ist (abhängig vom Polaritätssignal 14). Im Falle der Messung negativer Ladungsflüsse 4 wird die Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 mit der ersten Referenzspannung 13a, im Falle der Messung positiver Ladungsflüsse 4 dagegen mit der zweiten Referenzspannung 13b, verglichen (also „umgekehrt“ zur Beschaltung des nicht-invertierenden Eingangs 12 des Operationsverstärkers 6 im Integrator 5). Wenn die Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 über die maximal möglichen Spannungswerte des Digital-Analogwandlers 20 (bestimmt durch die Spannungspegel 28) hinausgeht, so hat dies zur Folge, dass der Fehlererkennungs-Komparator 29 seinen Ausgangspegel 32 ändert und somit einen Fehlerzustand anzeigt. Ebenso wie im Falle des Komparators 16 (der das Ausgangssignal 21 bereitstellt), ist in Abhängigkeit von der Polarität des Ladungsflusses (und damit in Abhängigkeit vom Polaritätssignal 14) eine selektive Signalinversion erforderlich. Hierzu dient ebenfalls ein Exklusiv-Oder-Logikelement 22. Das schlussendlich erzeugte Fehlersignal 33 kann weiteren elektronischen Komponenten zugeführt werden.
In 2 ist, ebenfalls in Form eines Prinzip-Schaltbilds, ein weiterentwickelter Wandlerkern 34 dargestellt. Der Wandlerkern 34 dient dabei zum Betrieb in Kombination mit einem zweiten (nicht dargestellten) Wandlerkern und damit beispielsweise für einen Ladungsfluss-Frequenz-Wandler 1, wie er in 3 skizziert ist.
Der Wandlerkern 34 ist in der Lage, selbsttätig zu entscheiden, ob ein positiver bzw. ein negativer Ladungsfluss 4 vorliegt. Hierzu dient ein modifizierter Digital-Analogwandler 35, der, neben der mittleren Vergleichsspannung 37 (der eigentlichen Schwellenspannung), noch zwei weitere Vergleichsspannungen erzeugt (untere Vergleichsspannung 36 bzw. obere Vergleichsspannung 38), die vorzugsweise um eine gleichartige Spannungsdifferenz von der mittleren Vergleichsspannung 37 versetzt sind. Als Auslegungskriterium hat sich dabei bewährt, die untere Vergleichsspannung (V_Thresl) 36 mit V_Thresl = i × V_LSB (wobei V_LSB das aktuelle Spannungsintervall darstellt) zu wählen. Die mittlere Vergleichsspannung 37 (V_Thresm) ergibt sich dann aus V_Thresm = V_Thresl + 1/2 V_LSB und die obere Vergleichsspannung 38, V_Thresh ergibt sich aus der Beziehung V_Thresh = V_Threshl + V_LSB.
Diese drei Vergleichsspannungen 36, 37, 38 werden geeignet einem Satz aus drei Komparatoren 39a, 39b, 39c zugeführt. Die mittlere Vergleichsspannung 37 (V_Thresm) dient dazu, zu entscheiden, ob sich die Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 im oberen oder im unteren Bereich des aktuellen Spannungsintervalls V_LSB befindet. Befindet sie sich im oberen Bereich, ist damit zu rechnen, dass die obere Vergleichsspannung 38 überschritten wird, das heißt, dass die mittlere Vergleichsspannung 37 (die eigentliche Schwellenspannung) um einen Intervallschritt nach oben versetzt werden muss. Dementsprechend wird der, dem Digital-Analogwandler 35 vorgeschaltete, Auf- und Abwärtszähler 27 durch den Ausgang des Komparators 39b auf Aufwärtszählen konfiguriert. Die Pulsformer 25, der Oder-Logikbaustein 41 und der Invertierer 40 dienen der Erzeugung des Zähltaktes 26 (Aufarbeitung des Signals).
Befindet sich die Ausgangsspannung 15 des Integrators 5 dagegen im unteren Bereich des aktuellen Spannungsintervalls V_LSB, ist im Gegenteil damit zu rechnen, dass die untere Vergleichsspannung 36 unterschritten wird. In diesem Fall muss die mittlere Vergleichsspannung 37 (Schwellenspannung) um einen Intervallschritt nach unten versetzt werden. Der Auf- und Abwärtszähler 27 wird dementsprechend auf Abwärtszählen konfiguriert.
Dabei überwachen der erste Komparator K1 39a und der dritte Komparator K3 39c, ob das aktuelle Spannungsintervall nach oben (erster Komparator 39a) oder nach unten (dritter Komparator 39c) verlassen wird. Ist dies der Fall, wird über die Pulsformer 25 (gegebenenfalls nach vorheriger Invertierung 40) ein Puls fester Länge erzeugt. Der Puls wird über einen Oder-Logikbaustein 41 auf den Takteingang des Auf- und Abwärtszählers 27 gegeben.
Sobald der Auf- und Abwärtszähler 27 „überläuft“ (entweder nach oben oder nach unten; der Wandlerkern 34 muss dann zurückgesetzt werden), wird die Ladungsflussmessung vom zweiten Wandlerkern übernommen. Hierzu dient ein Schaltsignal 42. Gleichzeitig wird die im Wandler 34 erkannte „Zählrichtung“ in Form eines Polaritätssignals 14 an den anderen Wandlerkern übermittelt, sodass dieser vorinitialisiert werden kann. Dementsprechend wird der andere Wandler gemäß der Idee, wie sie bereits in Bezug auf den in 1 dargestellten Wandlerkern 2 beschrieben wurde, vorinitialisiert.
In 3 ist schließlich noch schematisch dargestellt, wie ein Ladungsfluss-Frequenz-Wandler 1 mit zwei Integrator-Zweigen 3a (beispielsweise Wandlerkerne 1, 34 gemäß der Bauart von 1 bzw. von 2; auch andere Bauausführungen sind denkbar) aufgebaut sein kann. Vorliegend werden zur Erläuterung die im Zusammenhang mit den in 1 dargestellten Wandlerkernen 2 verwendeten Bezugsziffern verwendet, ohne dass dies einschränkend zu verstehen ist.
Sobald durch den betreffenden Integrator-Zweig 3a, 3b (vorliegend bestehend aus Integrator 5 und Komparator 16) ein (bereinigtes) Ausgangssignal 23 vorliegt, wird dieses über einen Oder-Logikbaustein 41 sowohl einem Abgriff 43 als auch einem D-Flip-Flop 44 zugeführt. Aufgrund des betreffenden Signals 23 ändert das D-Flip-Flop 44 seinen Zustand, das heißt die Signale an den Ausgängen Q bzw. /Q werden jeweils invertiert. Dadurch wird der bisher geöffnete Eingangsschalter 9 geschlossen und der bislang geschlossene Eingangsschalter 9 geöffnet. Parallel dazu wird der „voll geladene“ Integrator 5 durch Schließen eines Rückstellschalters 8 wieder auf null zurückgesetzt. Vorzugsweise erfolgt die Rücksetzung des betreffenden Integrators sofort und über eine gewisse Zeitdauer hinweg (dementsprechend vergeht eine gewisse Zeitdauer, bis das Rückstellsignal am Rückstellschalter 8 wieder aufgehoben wird; ein typischer Wert hierfür ist 50 ns). Zur Erzeugung dieser Zeitverzögerung dienen Verzögerungselemente 45.
Details zu dem „wechselweisen Parallelbetrieb“ der Integrator-Zweige 3a, 3b im Ladungsfluss-Frequenz-Wandler können beispielsweise der bereits erwähnten Deutschen Offenlegungsschrift DE 198 41 308 A1 entnommen werden.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Weiterbildungen der vorgeschlagenen Erfindung, sind der Deutschen Patentanmeldung, welche taggleich unter dem anmelderseitigen Aktenzeichen P 434-a-DE und mit dem Titel „Ladungsfluss-Frequenz-Wandler mit unterschiedlicher Ladungsfluss-Richtung“ beim Deutschen Patent- und Markenamt hinterlegt wurde, zu entnehmen. Der Offenbarungsgehalt der dortigen Anmeldeunterlagen wird durch Querverweis vollständig in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.
Bezugszeichenliste

1: Ladungsfluss-Frequenz-Wandler
2: Wandlerkern
3: Integrator-Zweig
4: Ladungsfluss
5: Integrator
6: Operationsverstärker
7: Kapazität
8: Rückstellschalter
9: Eingangsschalter
10: Zuschalter
11: Invertierender Eingang
12: Nicht-invertierender Eingang
13: Referenzspannung
14: Polaritätssignal
15: Ausgangsspannung
16: Komparator
17: Nicht-invertierender Eingang
18: Invertierender Eingang
19: Schwellenspannung
20: Digital-Analogwandler
21: Ausgangsspannung
22: Exklusiv-Oder-Logikbaustein
23: Bereinigte Ausgangsspannung
24: Ausgang
25: Pulsformer
26: Puls
27: Auf- und Abwärtszähler
28: Spannungspegel
29: Fehlererkennungs-Komparator
30: Nicht-invertierender Eingang
31: Invertierender Eingang
32: Ausgangsspannung
33: Fehlersignal
34: Wandlerkern
35: Digital-Analogwandler
36: Untere Vergleichsspannung
37: Mittlere Vergleichsspannung
38: Obere Vergleichsspannung
39: Komparator
40: Invertierer
41: Oder-Logikbaustein
42: Schaltsignal
43: Abgriff
44: D-Flip-Flop
45: Verzögerungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19841308 A1 [0005, 0036, 0047]

Claims

Wandlervorrichtung (1, 2, 34) zum Umwandeln eines Ladungsflusses (4) in ein Frequenzsignal (23, 43), aufweisend zumindest einen Integrator (5) sowie zumindest einen Komparator (16, 39), wobei zumindest ein Integrator (5) und zumindest ein Komparator (16, 39) hintereinandergeschaltet sind und der Komparator (16, 39) bei Überschreiten eines integrierten Ladungsflusses relativ zu einem Schwellenwert (19, 36, 37, 38) ein Signal (23, 43) abgibt, gekennzeichnet durch zumindest eine Frequenz-Überschreitungs-Signalausgabeeinrichtung (29, 33).
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz-Überschreitungs-Signalausgabeeinrichtung (29, 33) zumindest einen Fehlerindikations-Komparator (29) und/oder eine Signalinversions-Einrichtung (22) aufweist, wobei die Signalinversions-Einrichtung (22) vorzugsweise als Exklusiv-Oder-Logikbaustein (22) ausgebildet ist.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerindikations-Komparator (29) ein Komparatorbauteil (29) aufweist, wobei vorzugsweise der invertierende Eingang (31) des Komparatorbauteils (29) mit einem Ladungsfluss-Referenzsignal (13a, 13b) und/oder der nicht-invertierende Eingang (17) des Komparatorbauteils (29) mit einem Ausgangssignal (15) des Integrators (5) verbunden ist.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest zwei zueinander parallel geschaltete Integratoren (5a, 5b) bzw. Integrator-Zweige (3a, 3b), die wechselweise mit dem Ladungsfluss (4) beaufschlagt werden.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung (14), mit der die Wandlervorrichtung (1, 2, 34) wahlweise auf einen positiven oder einen negativen Ladungsfluss (4) eingestellt werden kann.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung (14) den Integrator und/oder den Komparator (16, 39) vorzugsweise wechselseitig mit jeweils einer von zwei Ladungsfluss-Referenzspannungen (13a, 13b) versorgt.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung (14) zumindest eine Wechselschaltereinrichtung aufweist.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Komparator (16) eine vorzugsweise bedingte Signalinversions-Einrichtung (22), insbesondere ein Exklusiv-Oder-Logikbaustein (22), nachgeschaltet ist, welche bevorzugt in Abhängigkeit der Stellung der Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung (14) invertierend wirkt.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (5) einen Operationsverstärker (6) aufweist und insbesondere das Ladungsfluss-Eingangssignal (4) mit dem invertierenden Eingang (11) des Operationsverstärkers (6) und/oder die Ladungsfluss-Referenzspannung (13a, 13b) mit dem nicht-invertierenden Eingang (12) des Operationsverstärkers (6) verbunden ist.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (16, 39) ein Komparatorbauteil (16, 39) aufweist und insbesondere das Ausgangssignal (15) des Integrators (5) mit dem nicht-invertierenden Eingang (17) des Komparatorbauteils (16) und/oder eine Schwellenspannung (19, 36, 37, 38) mit dem invertierenden Eingang (18) des Komparatorbauteils (16, 39) verbunden ist.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (21) des Komparators (16, 39) und/oder der Signalinversions-Einrichtung (22, 40) einer Impulsformungs-Einrichtung (25) zugeführt wird.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine digitale Zähleinrichtung (27) und/oder einen Digital-Analogwandler (20, 35), welcher dem Komparator (16, 39) unterschiedliche Schwellenspannungen (19, 36, 37, 38) zuführen kann, insbesondere in Abhängigkeit von einem Ausgangswert (23) des Komparators (16, 39), bevorzugt in Abhängigkeit von einem Zählwert der Zähleinrichtung (27).
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Digital-Analogwandler-Spannweiten-Signal-Eingabemittel (28).
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 4 bis 13, gekennzeichnet durch ein Rückstellsignal-Ausgabemittel (45a, 45b), welches einen Integrator (5) zurückgestellt und bevorzugt einen anderen Integrator (5) aktiviert.
Wandlervorrichtung (1, 2, 34) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine sich selbsttätig einstellende Ladungsfluss-Richtungs-Selektionseinrichtung (14).