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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Digitalisieren eines analogen Signals. Die Vorrichtung weist einen Analog-Digital-Konverter mit einem Signaleingang für das Signal auf. Die Vorrichtung weist ferner einen Verzerrsignal-Generator mit einem Verzerrsignal-Ausgang auf, wobei der Verzerrsignal-Generator dazu ausgebildet ist, an dem Verzerrsignal-Ausgang ein Verzerrsignal zu liefern.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen werden insbesondere verwendet, um analoge Signale in digitale Signale umzusetzen, beispielsweise um von einem Sensor gelieferte Signale mittels elektronischer Datenverarbeitung in einem Mikrocontroller oder einer sonstigen Steuerungseinheit auswerten und weiterverarbeiten zu können. Der Verzerrsignal-Generator dient dabei insbesondere dazu, die Auflösung des Analog-Digital-Konverters zu erhöhen. Hintergrund der Verwendung eines solchen Verzerrsignal-Generators ist die Tatsache, dass viele Analog-Digital-Konverter zwar eine Abtastfrequenz haben, welche deutlich schneller ist als für einen bestimmten Einsatzzweck notwendig, gleichzeitig aufgrund ihrer Auflösung, also des minimal unterscheidbaren Signalpegels, jedoch nur eine zu grobe Erfassung des Signals ermöglichen. Die Auflösung wird bei Analog-Digital-Konvertern üblicherweise in bit angegeben.
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Beispielsweise können Analog-Digital-Konverter, auch als Analog-Digital-Wandler bezeichnet, eine Abtastrate von 100 kHz bis 200 kHz aufweisen, wohingegen die Bandbreite von Messgrößen eines angeschlossenen Sensors, insbesondere im Automobilbereich, beispielsweise unter 1 kHz liegen kann. Die Auflösung liegt dabei häufig in der Größenordnung von etwa 10 Bit, wohingegen in zahlreichen Anwendungen Auflösungen von beispielsweise 13 Bit oder 14 Bit wünschenswert wären.
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Der Verzerrsignal-Generator wird deshalb eingesetzt, um eine Konvertierung der zeitlichen Auflösung in eine höhere Abtastgenauigkeit vorzunehmen. Dieses Verfahren wird auch als Dithering bezeichnet. Dabei wird zum zu digitalisierenden Signal ein Rauschen mit geringem Effektivwert addiert, typischerweise in der Größenordnung von wenigen geringwertigsten Bits, auch als Least Significant Bits (LSB) bezeichnet. Ein daraus resultierendes Signal, welches dann vom Analog-Digital-Konverter digitalisiert wird, schwankt um den dem zu digitalisierenden Signal entsprechenden Wert mit dem Augenblickswert des Verzerrsignals. Wenn das Verzerrsignal beispielsweise den Mittelwert null hat, so kann der Mittelwert vieler Ausgangswerte des Analog-Digital-Konverters dem korrekten Ausgangswert des konstanten zu digitalisierenden Signal entsprechen. Dieser Mittelwert weist jedoch eine höhere Auflösung auf. Bei der Mittelwertbildung entstehen nämlich Stellen mit einer geringeren Wertigkeit als 1 LSB. Grundsätzlich stehen hierfür sowohl die Verwendung eines zufälligen Rauschens wie auch eines Pseudorauschens als Verzerrsignal zur Verfügung. Bei einem zufälligen Rauschen ist es nicht zwingend sichergestellt, dass bei einer Gruppe von beispielsweise fünfzig aufeinanderfolgenden Werten des Rauschens der Mittelwert auch tatsächlich null beträgt. Ein solches zufälliges Rauschen kann beispielsweise durch einen Zufallsgenerator erzeugt werden, welcher auf der Beobachtung eines Naturphänomens wie beispielsweise eines radioaktiven Zerfalls basiert. Bei der Verwendung eines Pseudorauschens wird typischerweise eine mathematische Funktion verwendet, welche basierend auf einem Ausgangswert Pseudozufallszahlen erzeugt. Diese Pseudozufallszahlen haben definierte Eigenschaften; insbesondere kann berechnet werden, wie viele Pseudozufallszahlen gruppiert werden müssen, um einen Mittelwert von null zu erreichen. Selbst wenn der Mittelwert einer solchen Gruppe nicht null beträgt, so kann das Pseudorauschen immer noch verwendet werden, da der Mittelwert bekannt ist und einfach rechnerisch kompensiert werden kann.
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Bei der Verwendung von zufälligem Rauschen wird insbesondere auch von „Random Dithering“ gesprochen, wohingegen bei der Verwendung von Pseudozufallszahlen auch von „Deterministic Dithering“ gesprochen wird. Es hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung von Pseudozufallszahlen auch ein einfach definiertes Signal wie etwa ein Dreieck- oder Sägezahnsignal verwendet werden kann. Wenn dabei ein Mittelwert von null erreicht werden soll, kann dies typischerweise dadurch erfolgen, dass der Zeitraum, aus welchem die verwendeten Werte stammen, die zu einem Wert gemittelt werden, eine ganzzahlige Anzahl von Perioden des entsprechenden Verzerrsignals umfasst. Es genügt jedoch grundsätzlich sogar, wenn der Mittelwert konstant und bekannt ist, da die Möglichkeit zur rechnerischen Kompensation besteht.
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Bei gattungsgemäßen Vorrichtungen werden zur Implementierung von Deterministic Dithering typischerweise ein Verzerrsignal-Generator, ein Addierer, ein Analog-Digital-Konverter und ein Mikrocontroller verwendet. Der Addierer sorgt dabei typischerweise für eine Überlagerung des Verzerrsignals über das zu digitalisierende analoge Signal, woraufhin es vom Analog-Digital-Konverter digitalisiert und in digitalisierter Form an den Mikrocontroller weitergeleitet wird. Der Mikrocontroller bildet anschließend den Mittelwert über eine Anzahl von Messwerten, wobei er auf Informationen des Verzerrsignal-Generators zurückgreift. Addierer werden typischerweise unter Verwendung von aktiven Komponenten wie Operationsverstärkern aufgebaut. Es hat sich gezeigt, dass derartige Ausführungen zwar eine hohe Auflösung erreichen und für zahlreiche Einsatzzwecke geeignet sind, jedoch andererseits auch aufwändig und teuer herzustellen sind.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Digitalisieren eines analogen Signals vorzusehen, welche im Vergleich zu Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik einfacher ausgeführt ist. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Digitalisieren eines analogen Signals. Die Vorrichtung weist einen Analog-Digital-Konverter mit einem Signaleingang für das Signal auf. Die Vorrichtung weist ferner einen Verzerrsignal-Generator mit einem Verzerrsignal-Ausgang auf, wobei der Verzerrsignal-Generator dazu ausgebildet ist, an dem Verzerrsignal-Ausgang ein Verzerrsignal zu liefern.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verzerrsignal-Ausgang ausschließlich mittels passiver Komponenten an den Analog-Digital-Konverter gekoppelt ist.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Verwendung eines konventionellen, mittels aktiver Komponenten wie Operationsverstärkern ausgeführten Addierers nicht zwingend notwendig ist, um eine für viele Anwendungen ausreichende Genauigkeit zu erreichen. Vielmehr genügen hierfür passive Komponenten, insbesondere Widerstände (R) und/oder Kondensatoren (C) sowie gegebenenfalls Induktivitäten (L).
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Die Größenordnung des Verzerrsignals beträgt dabei typischerweise wenige Least Significant Bits (LSB), beispielsweise 1, 2 oder 3 LSB. Insbesondere ist die Größenordnung des Verzerrsignals typischerweise deutlich kleiner als die Größenordnung des zu digitalisierenden Signals, beispielsweise kann das Verzerrsignal einen maximalen Betrag haben, welcher geringer als 10% oder geringer als 5% des maximalen Betrags des zu digitalisierenden analogen Signals ist. Das Verzerrsignal ist dabei vorzugsweise deterministisch, beispielsweise ein Dreiecks- oder Sägezahnsignal oder auch ein Pseudozufallszahlensignal. Vorzugsweise hat das Verzerrsignal einen Mittelwert von null, dies ist jedoch nicht zwingend notwendig, da ein von null abweichender Mittelwert problemlos rechnerisch kompensiert werden kann. Der Analog-Digital-Konverter ist vorzugsweise mit dem Verzerrsignal-Generator synchronisiert. Anstelle des Analog-Digital-Konverters kann beispielsweise auch ein Mikrocontroller, welcher ein von dem Analog-Digital-Konverter geliefertes Signal empfängt und/oder auswertet, entsprechend mit dem Verzerrsignal-Generator synchronisiert sein. Im Rahmen einer Synchronisierung können insbesondere Informationen über das Verzerrsignal übermittelt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der Verzerrsignal-Ausgang ohne aktive Komponenten, insbesondere ohne Operationsverstärker, an den Analog-Digital-Konverter gekoppelt. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Reduzierung des Aufwands und damit der Kosten. Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat herausgefunden, dass für vielfältige Anwendungen trotzdem eine ausreichende Genauigkeit und Qualität erreicht werden kann.
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Bevorzugt ist der Analog-Digital-Konverter Bestandteil eines Mikrocontrollers. Dies ermöglicht eine unmittelbare Weiterverarbeitung der vom Analog-Digital-Konverter erzeugten Signale, insbesondere eine Mittelwertbildung und auch eine Verwendung in weitergehenden Berechnungen.
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Weiter bevorzugt ist der Verzerrsignal-Generator ebenfalls Bestandteil des Mikrocontrollers. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Vereinfachung des Aufbaus, da der Mikrocontroller, welcher den Analog-Digital-Konverter enthält, gleichzeitig auch das Verzerrsignal erzeugen kann. Der Verzerrsignal-Generator kann dabei beispielsweise mittels eines digitalen Ausgangs des Mikrocontrollers implementiert sein, welcher den Verzerrsignal-Ausgang bildet. Derartige digitale Ausgänge sind in Mikrocontrollern häufig vorhanden, beispielsweise um Steuerungsfunktionen wahrzunehmen. Sie sind typischerweise über interne Register oder Zähler in definierter Weise schaltbar, wobei die Schaltung durch Software kontrolliert werden kann. Dies ermöglicht eine softwaremäßige Implementierung des Verzerrsignals durch entsprechende Ansteuerung des digitalen Ausgangs des Mikrocontrollers.
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Gemäß einer Ausführung weist der Analog-Digital-Konverter einen differenziellen Eingang auf, wobei der Verzerrsignal-Ausgang mit einem Anschluss des differenziellen Eingangs gekoppelt ist. Eine solche Ausführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das zu digitalisierende Signal massebezogen ist. Bei einem differenziellen Eingang handelt es sich typischerweise um einen Eingang, bei welchem das zu digitalisierende Signal von dem Analog-Digital-Konverter zwischen einem positiven Signaleingang und einem negativen Signaleingang ermittelt wird. Das zu digitalisierende Signal kann dabei insbesondere an den positiven Signaleingang angeschlossen werden, wohingegen der Verzerrsignal-Ausgang mit dem negativen Eingang des Analog-Digital-Konverters gekoppelt wird. Auch die umgekehrte Ausführung ist jedoch möglich. Bei der Verwendung eines Analog-Digital-Konverters mit einem differenziellen Eingang kann der gemäß dem Stand der Technik vorgesehene Addierer zur Erzeugung einer Überlagerung dadurch ersetzt werden, dass der Verzerrsignal-Ausgang auf einfache Weise mit einem Eingang des Analog-Digital-Konverters gekoppelt wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache und trotzdem genauso funktionale Ausführung.
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Bevorzugt ist dabei zwischen dem Verzerrsignal-Ausgang und einem Referenzpotential, vorzugsweise Masse, ein Spannungsteiler angeschlossen, wobei der Anschluss des differenziellen Eingangs an einem Ausgang des Spannungsteilers angeschlossen ist. Damit kann eine Spannung, welche an dem Verzerrsignal-Ausgang anliegt und welche typischerweise deutlich höher als benötigt ist, da es sich dabei typischerweise um die Versorgungsspannung des Mikrocontrollers handelt, auf einen gewünschten, deutlich kleineren Wert verringert werden. Diese deutlich kleinere Spannung wird dann zum Verzerren der Messung des Analog-Digital-Konverters verwendet. Zwischen dem Anschluss des differenziellen Eingangs und dem Referenzpotential ist dabei vorzugsweise ferner ein Kondensator angeschlossen, welcher weiter bevorzugt zumindest einen Widerstand des Spannungsteilers überbrückt. Damit kann mittels des Verzerrsignal-Ausgangs eine jeweils an dem Anschluss des differenziellen Eingangs anliegende Spannung beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation eingestellt werden. Der Kondensator wird dabei beispielsweiseweise gerade so weit aufgeladen, dass er die gewünschte Spannung aufweist.
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Gemäß einer einfach zu realisierenden Ausführung wird eine symmetrische Rechteckspannung am Verzerrsignal-Ausgang ausgegeben, wodurch am Kondensator Lade- und Entladekurven entstehen, welche typischerweise jeweils einer Exponentialfunktion folgen. Diese lassen sich wie die bereits erwähnten Dreieck- oder Sägezahnspannungen verwenden.
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Gemäß einer alternativen Ausführung weist der Analog-Digital-Konverter zusätzlich zum Signaleingang einen Referenzeingang auf. Der Verzerrsignal-Ausgang ist dabei mit dem Referenzeingang gekoppelt. Damit kann bei Analog-Digital-Konvertern, welche keinen differenziellen Eingang haben, trotzdem eine unmittelbare Kopplung des Verzerrsignal-Ausgangs mit dem Analog-Digital-Konverter erreicht werden, wobei hierfür der Referenzeingang verwendet wird, welcher bei typischen Analog-Digital-Konvertern, insbesondere in Mikrocontrollern, laut Herstellerspezifikation typischerweise mit einem Anschluss einer der Versorgungsspannungen verbunden sein soll, jedoch wie der Erfinder erkannt hat auch mit dem Verzerrsignal-Ausgang gekoppelt werden kann. Dabei wird typischerweise eine Divisionsoperation in dem Analog-Digital-Konverter bezüglich des Referenzeingangs ausgeführt. Es handelt sich hierbei typischerweise also nicht um eine Überlagerung des Verzerrsignals über das zu digitalisierende Signal durch Addition oder Subtraktion, sondern durch Division, was bei der Weiterverarbeitung im Rahmen einer Berechnung jedoch leicht berücksichtigt werden kann. Durch die Division anstelle von Addition oder Subtraktion kann auch davon gesprochen werden, dass das Vorgehen nicht mehr als Dithering bezeichnet wird. Die Wirkung ist jedoch sehr ähnlich.
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Bevorzug ist dabei zwischen dem Verzerrsignal-Ausgang und einem Referenzpotential, vorzugsweise einem positiven Potential, ein Spannungsteiler angeschlossen, wobei der Referenzeingang an einem Ausgang des Spannungsteilers angeschlossen ist. Damit kann in ähnlicher Weise wie oben bereits beschrieben das Signal auf die gewünschte Größenordnung angepasst werden.
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Zwischen dem Referenzeingang und dem Referenzpotential ist dabei vorzugsweise ein Kondensator angeschlossen, welcher weiter bevorzugt zumindest einen Widerstand des Spannungsfelds überbrückt. Damit kann in gleicher Weise wie bereits weiter oben beschrieben die gewünschte Spannung insbesondere durch Pulsweitenmodulation oder die weiter oben bereits beschriebene Rechteckspannung eingestellt werden.
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Gemäß einer Ausführung sind der Verzerrsignal-Ausgang und ein das Signal liefernder Signalanschluss mit dem Signaleingang gekoppelt. Dies ermöglicht eine Überlagerung des zu digitalisierenden Signals, welches von dem Signalanschluss bereitgestellt wird, und des Verzerrsignals. Die Überlagerung erfolgt hierbei also nicht wie bei den beiden bereits beschriebenen Ausführungen innerhalb des Analog-Digital-Konverters, sondern außerhalb. Auch hierbei kann, wie der Erfinder der vorliegenden Anmeldung erkannt hat, auf ausschließlich passive Komponenten zurückgegriffen werden, was in erheblichem Maße Aufwand und Kosten einspart. Eine für die meisten Anwendungszwecke ausreichende Qualität ergibt sich trotzdem.
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Der Verzerrsignal-Ausgang ist dabei mit dem Signaleingang vorzugsweise gleichspannungsgekoppelt, wobei die Kopplung dabei insbesondere galvanisch erfolgt. Der Signalanschluss wird dabei bevorzugt mit dem Signaleingang wechselspannungsgekoppelt, und zwar weiter bevorzugt kapazitiv. Durch die Gleichspannungskopplung des Verzerrsignal-Ausgangs wird eine unmittelbare Einleitung des Verzerrsignals in den Analog-Digital-Konverter erreicht. Durch die kapazitive Kopplung des Signalanschlusses wird eine gleichspannungsmäßige Entkopplung des Verzerrsignal-Ausgangs von dem Signalanschluss erreicht. Es sei erwähnt, dass die hier beschriebene Ausführung insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das am Signalanschluss anliegende Signal zumindest hinsichtlich seiner relevanten Frequenzbestandteile eine Mindestfrequenz aufweist, wobei Frequenzbestandteile unterhalb dieser Mindestfrequenz nicht relevant sind. Insbesondere sollte das Signal keinen relevanten Gleichspannungsanteil aufweisen.
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Alternativ hierzu kann auch die umgekehrte Ausführung verwendet werden, d.h. der Verzerrsignal-Ausgang kann mit dem Signaleingang wechselspannungsgekoppelt sein, wohingegen der Signalanschluss gleichspannungsgekoppelt ist. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Signal eine relevante Gleichspannungskomponente oder besonders niedrige Frequenzen aufweist.
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Bevorzugt ist zwischen dem Verzerrsignal-Ausgang und einem Referenzpotential, vorzugsweise Masse, ein Spannungsteiler angeschlossen, wobei der Signaleingang an einem Ausgang des Spannungsteilers angeschlossen ist. Damit wird wie weiter oben bereits beschrieben eine Anpassung der Größenordnung des Verzerrsignals erreicht. Nach einer Digitalisierung wird bei dem von dem Analog-Digital-Konverter gelieferten Signal gemäß einer Ausführung eine Signaldemodulation vorgenommen, beispielsweise im Mikrocontroller. Damit können Komponenten von Wechselspannungssignalen in vorteilhafter Weise identifiziert werden. Hierzu kann auf bekannte Algorithmen zurückgegriffen werden.
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Bei Ausführungen mit einem Spannungsteiler, insbesondere bei solchen, wie sie weiter oben beschrieben wurden, ist vorzugsweise ein Widerstand des Spannungsteilers, welcher zwischen dem Verzerrsignal-Ausgang und dem Ausgang des Spannungsteilers angeschlossen ist, größer als ein Widerstand, welcher zwischen dem Ausgang des Spannungsteilers und dem Referenzpotential angeschlossen ist. Damit wird eine vorteilhafte Verkleinerung des an dem Verzerrsignal-Ausgang anliegenden Signals, welches typischerweise eine Versorgungsspannung eines Mikrocontrollers und damit betragsmäßig zu groß ist, erreicht.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:
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1: einen Mikrocontroller mit Beschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2: einen Mikrocontroller mit Beschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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3: einen Mikrocontroller mit Beschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt einen Mikrocontroller µC, welcher einen integrierten Analog-Digital-Konverter ADC aufweist. Dieser weist einen differenziellen Eingang auf, wobei der differenzielle Eingang einen positiven Anschluss ADC+ und einen negativen Anschluss ADC– aufweist. Eine zwischen den beiden Anschlüssen ADC+, ADC– anliegende Spannungsdifferenz wird von dem Analog-Digital-Konverter ADC digitalisiert.
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Der Mikrocontroller µC weist einen digitalen Ausgang D auf, welcher vorliegend als Verzerrsignal-Ausgang dient. Der Mikrocontroller µC dient somit gleichzeitig auch als Verzerrsignal-Generator. In dem Mikrocontroller ist Software implementiert, welche dafür sorgt, dass der digitale Ausgang D pulsweitenmoduliert oder mit einem Rechtecksignal, beispielsweise derart wie weiter oben bereits beschrieben, angesteuert werden kann, so dass über die nachfolgend beschriebene Schaltung ein definiertes Verzerrsignal erzeugt wird. Eine Frequenz eines Rechtecksignals oder eines anderen Signals kann dabei insbesondere mittels Software bestimmt werden.
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Der digitale Ausgang D ist über einen Spannungsteiler S mit Masse verbunden, wobei der Spannungsteiler S einen ersten Widerstand R1 und einen zweiten Widerstand R2 aufweist. Der erste Widerstand R1 weist dabei einen deutlich höheren Widerstandswert auf als der zweite Widerstand R2. Somit wird das von dem digitalen Ausgang D gelieferte Signal, welches zwischen Masse und einer Versorgungsspannung des Mikrocontrollers µC wechseln kann, auf einen wesentlich kleineren Wert heruntergeteilt, welcher vorliegend spannungsmäßig drei Least Significant Bits (LSB) des Analog-Digital-Konverters ADC entspricht. Über den zweiten Widerstand R2 ist des Weiteren ein Kondensator C1 verschaltet, welcher durch den Spannungsteiler S geladen werden kann. Der Kondensator C1 ist dabei an einem Ausgang des Spannungsteilers S angeschlossen, welcher zwischen den beiden Widerständen R1, R2 liegt. Wenn der digitale Ausgang D ein positives Potential annimmt, so wird auf diese Weise der Kondensator C1 geladen. Wenn der digitale Ausgang D ein negatives Potential annimmt, so wird der Kondensator C1 entladen. Dies ermöglicht eine genaue Einstellung der Spannung des Kondensators C1. Beispielsweise kann das Verzerrsignal als Sequenz unterschiedlicher Pulsweitenmodulationseinstellungen am digitalen Ausgang D entstehen. Es können jedoch auch Zwischenwerte am Ausgang des Spannungsteilers S mit Hilfe des Kondensators C1 erzeugt werden, insbesondere zwischen den Werten, welche der Ausgang des Spannungsteilers S mit hohem beziehungsweise niedrigem Potential am Verzerrsignal-Ausgang annimmt. In diesem Fall wird also insbesondere gemessen, während die Spannung am Ausgang des Spannungsteilers S steigt und fällt, wobei die Auslegung der Komponenten vorzugsweise derart bemessen ist, dass die Spannung gleichmäßig steigt und fällt.
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Der Ausgang des Spannungsteilers S und der damit verbundene Anschluss des Kondensators C1 ist des Weiteren mit dem negativen Anschluss ADC– des Analog-Digital-Konverters ADC verbunden. Somit wird das an dem positiven Anschluss ADC+ anliegende Signal relativ zu einem mittels des digitalen Ausgangs D einstellbaren Spannungswert digitalisiert. Dies ermöglicht eine Überlagerung eines über den digitalen Ausgang D einstellbaren Verzerrsignals in ähnlicher Weise, wie dies bei einer Überlagerung des Verzerrsignals mittels eines vorgeschalteten Addierers, wie beim Stand der Technik üblich, erfolgen würde. Auf die Verwendung der dafür gemäß dem Stand der Technik notwendigen aktiven Komponenten kann jedoch verzichtet werden.
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An dem positiven Anschluss ADC+ liegt ein Signal VS an, welches digitalisiert werden soll. Der Mikrocontroller µC weist vorliegend ferner einen Referenzanschluss Ref auf, welcher mit einer Referenzspannung VR verbunden ist. Diese wird intern in dem Mikrocontroller µC verwendet, ist für die Verschaltung gemäß 1 jedoch nicht weiter relevant.
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Der Mikrocontroller µC ist des Weiteren dazu ausgebildet, eine definierte Signalfolge, vorliegend in Form eines Sägezahnsignals, an dem negativen Anschluss ADC– zu erzeugen. Hierzu wird der digitale Ausgang D entsprechend angesteuert, so dass der Kondensator C1 die notwendigen Spannungen annimmt. Da der Mikrocontroller µC diese Werte selbst erzeugt, kennt er diese auch und kann die von dem Analog-Digital-Konverter ADC gelieferten Signale entsprechend auswerten. Insbesondere wird über eine Vielzahl hintereinander ausgeführter Messungen ein Mittelwert gebildet, wobei dieser Mittelwert genauer ist als die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ADC. Die mögliche Abtastfrequenz des Analog-Digital-Konverters ADC liegt jedoch erheblich höher als zur Abtastung des Signals VS erforderlich wäre. Durch die eben beschriebene Mittelwertbildung unter Verwendung des Verzerrsignals kann folglich die höhere, jedoch nicht unmittelbar benötigte zeitliche Auflösung in eine bessere Abtastauflösung umgewandelt werden. Dies bringt für zahlreiche Anwendungen Vorteile, da auf die Verwendung eines höherwertigeren, möglicherweise externen Analog-Digital-Konverters verzichtet werden kann.
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Es sei erwähnt, dass die Verwendung eines Sägezahnsignals als Verzerrsignal in vielen Anwendungen vorteilhaft ist. Dieses kann beispielsweise mittels einer Sequenz von Pulsweitenmodulationssignalen am digitalen Ausgang D erzeugt werden. Es ist jedoch auch eine gute Annäherung einer Dreiecksfunktion möglich, insbesondere aus Abschnitten einer Exponentialfunktion beim Laden und Entladen des Kondensators C1. Dies basiert insbesondere auf der Erkenntnis, dass die Steigung der Spannung am Kondensator C1 beim Laden und Entladen gleich ist.
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2 zeigt einen Mikrocontroller mit Beschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Es sei verstanden, dass die grundsätzliche Funktionsweise der Verwendung eines Verzerrsignals ähnlich zum ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist. Es wird deshalb nachfolgend lediglich auf die Unterschiede des zweiten Ausführungsbeispiels zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
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Im Unterschied zu dem Analog-Digital-Konverter ADC des ersten Ausführungsbeispiels weist der Analog-Digital-Konverter ADC des zweiten Ausführungsbeispiels keinen differenziellen Eingang auf. Er weist lediglich einen positiven Anschluss ADC+ auf, an welchem das zu digitalisierende Signal VS angeschlossen wird. Gemessen wird relativ zu einem rein internen negativen Anschluss ADC–, welcher festverdrahtet auf Masse gelegt und nicht veränderbar ist.
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Der Mikrocontroller µC weist ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel einen digitalen Ausgang D auf. Dieser ist ebenfalls mit einem Spannungsteiler S mit zwei Widerständen R1, R2 gekoppelt, wobei über den zweiten Widerstand R2 ein Kondensator C1 verschaltet ist. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Spannungsteiler S jedoch an seinem dem digitalen Anschluss D gegenüberliegenden Ende nicht mit Masse, sondern mit einer Versorgungsspannung VDD verbunden. Grundsätzlich kann damit in sehr ähnlicher Weise wie mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben ein Verzerrsignal erzeugt werden.
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Als weiterer Unterschied ist der Ausgang des Spannungsteilers S, an welchem auch der Kondensator C1 angeschlossen ist, nicht mit dem negativen Anschluss ADC– verbunden, sondern mit dem Referenzanschluss. Bei diesem Referenzanschluss handelt es sich um einen Eingang für ein in dem Analog-Digital-Konverter ADC verwendetes Referenzpotential, durch welches das am positiven Anschluss ADC+ anliegende Signal geteilt wird, bevor es digitalisiert wird. Vorliegend erfolgt die Überlagerung also nicht über eine Summation oder Differenzbildung, sondern über eine Division. Der Mikrocontroller µC ist im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels derart programmiert, dass er ebenfalls Mittelwerte bildet, jedoch unter Berücksichtigung des anders überlagerten Verzerrsignals. Damit kann in gleicher Weise eine Umwandlung von zeitlicher Auflösung in eine bessere Abtastauflösung vorgenommen werden.
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3 zeigt einen Mikrocontroller µC mit einer Beschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Dabei ist im Unterschied zu den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen das Verzerrsignal nicht direkt an den Mikrocontroller µC gekoppelt, sondern das Verzerrsignal wird vielmehr dem zu digitalisierenden Signal VS überlagert. Das digitalisierende Signal VS ist dabei mittels eines Kondensators C1 gekoppelt, so dass es wechselspannungsgekoppelt ist. Ein Gleichspannungsanteil des Signals VS wird damit ausgeblendet. Der digitale Ausgang D des Mikrocontrollers µC ist in gleicher Weise wie bei 1 mit einem Spannungsteiler S verbunden, welcher zwei Widerstände R1, R2 aufweist und an seinem den digitalen Ausgang D gegenüberliegenden Ende mit Masse verbunden ist. Der Ausgang des Spannungsteilers S, welcher zwischen den Widerständen R1, R2 liegt, ist mit dem Kondensator C1 verbunden. Der gleiche Anschluss ist auch mit dem positiven Anschluss ADC+ verbunden. Außerdem ist er mit einem dritten Widerstand R3 verbunden, welcher an seinem gegenüberliegenden Anschluss wiederum mit einer Versorgungsspannung VDD verbunden ist. Der Referenzeingang Ref des Mikrocontrollers µC ist vorliegend fest mit einem Referenzpotential VR verbunden.
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Durch die beschriebene und in 3 gezeigte Beschaltung wird das Verzerrsignal, welches wie bereits weiter oben beschrieben mittels des Spannungsteilers S in seinem Betrag angepasst wird, direkt dem zu digitalisierenden Signal VS überlagert, bevor dieses in den Analog-Digital-Konverter ADC eingekoppelt wird. Die in 3 gezeigte Beschaltung hat dabei zwar eine etwas andere Übertragungscharakteristik als ein mit aktiven Bauelementen wie beispielsweise Operationsverstärkern ausgeführter Addierer, jedoch reicht für typische Anwendungen diese Übertragungscharakteristik aus. Insbesondere kann sie bei den vom Mikrocontroller µC durchgeführten Berechnungen kompensiert werden. Durch den Verzicht auf aktive Komponenten wird eine deutliche Verringerung des Aufwands und der Kosten erreicht.
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Die zur Anmeldung gehörigen Ansprüche stellen keinen Verzicht auf die Erzielung weitergehenden Schutzes dar.
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Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
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Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden.
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Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.
