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HINTERGRUND
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Sensoren werden in Detektorsystemen eingesetzt, um Eigenschaften wie beispielsweise Licht, Temperatur, Bewegung etc. zu detektieren. Die Sensoren sind typischerweise eingerichtet, um eine Eigenschaft zu messen und um dann die Messung in einer geeigneten Art und Weise bereitzustellen. Zum Beispiel kann ein Sensor ein Magnetfeld messen und dann die Messung des Magnetfelds als ein Ausgangssignal bereitstellen.
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Typischerweise beinhalten Sensoren einen Konverter, um eine analoge Messung in eine digitale Form oder einen Digitalwert zu konvertieren. Dann wird in einem Beispiel die digitale Messung als Signal bereitgestellt, das variierende Stromniveaus verwendet, um die Information zu übermitteln.
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Sensoren sollen häufig eingerichtet sein, um die digitalen Messungen unter geringer Leistungsaufnahme und mit geringem Signalrauschen bereitzustellen. Dies erlaubt ihre Verwendung in verbrauchskritischen Umgebungen, wie beispielsweise Automobilsystemen. Jedoch erfordert die Anforderung an geringes Rauschen typischerweise eine größere Leistungsaufnahme, um höhere Signal-Rausch-Verhältnisse zu erreichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zur Analog-Digital-Konvertierung. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, die zumindest einige der oben genannten Nachteile und Einschränkungen umgehen und beheben. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken der Analog-Digital-Konvertierung, die es ermöglichen, eine Digitalausgabe mit geringer Leistungsaufnahme und mit geringem Rauschen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Analog-Digital-Konvertieren. Die Vorrichtung umfasst einen Dualmodus-Konverter, der einen Grobmodus und einen Feinmodus aufweist. Der Dualmodus-Konverter ist eingerichtet, um ein Eingangssignal zu empfangen und um das Eingangssignal in eine digitale Ausgabe, die eine selektierte Auflösung aufweist, zu konvertieren. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinheit, die mit dem Dualmodus-Konverter gekoppelt ist und die eingerichtet ist, um den Konverter in dem Grobmodus zu betreiben, bis eine Grobapproximation erhalten wird, und um den Konverter in dem Feinmodus zu betreiben, bis eine Feinapproximation erhalten wird, die die selektierte Auflösung aufweist. Der Feinmodus beinhaltet Multi-Bit-inkrementelle Nachverfolgung.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Dualmodus-Konverter, der eine erste Stufe und eine zweite Stufe und eine Digitalkomponente umfasst. Die erste Stufe ist eingerichtet, um in einem Grobmodus sukzessiv eine Vergleichsausgabe gemäß Grobreferenzwerten zu erzeugen und um eine Integrationsausgabe gemäß Feinreferenzwerten in einem Feinmodus zu erzeugen. Die zweite Stufe ist mit der ersten Stufe gekoppelt. Die Vergleichsausgabe wird als eine aktualisierte Grobapproximation bereitgestellt und die Integrationsausgabe wird als eine aktualisierte Feinapproximation bereitgestellt. Die Digitalkomponente ist eingerichtet, um die Grobreferenzwerte unter Verwendung sukzessiver Approximation zu aktualisieren und um die Feinreferenzwerte unter Verwendung von Multi-Bit-inkrementeller Nachverfolgung zu approximieren.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Konvertieren eines Sensorwertes in eine digitale Ausgabe. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Eingangssignals. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erhalten einer Grobapproximation des Eingangssignals. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erhalten einer Multi-Bit-Nachverfolgungsapproximation des Eingangssignals unter Verwendung von Multi-Bit-Nachverfolgung und der Grobapproximation.
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Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist ein Schaubild einer Sensorvorrichtung, die einen Dualmodus-Konverter zur Analog-Digital-Konvertierung verwendet.
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2 ist ein Schaubild, das einen Dualmodus-Analog-Digital-Konverter 200, der mehrere Modi verwendet, illustriert.
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3 ist ein Schaubild, welches einen Dualmodus-Analog-Digital-Konverter 300 illustriert.
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4 ist ein Schaubild, welches digitale Logik einer Digitalkomponente, die in einem Dualmodus-Konverter verwendet wird, illustriert.
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5 ist ein Graph, der beispielhaft den Betrieb eines Dualmodus-Konverters darstellt.
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6 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Konvertieren eines Sensorwertes in eine digitale Ausgabe illustriert.
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7 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betreiben eines Analog-Digital-Konverters in einem Grobmodus illustriert.
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8 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betreiben eines Analog-Digital-Konverters in einem Feinmodus illustriert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktionen und genereller Zweck dem Fachmann verständlich werden. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindungen oder Kopplungen implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
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Nachfolgend werden Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, die Analog-Digital-Konvertierung mit geringer Leistungsaufnahme und einem großen Signal-Rausch-Verhältnis unter Verwendung mehrerer Modi durchführen. In einem ersten Modus wird sukzessiv-approximative Nachverfolgung (engl. „successive approximation tracking“, SAT) dazu verwendet, um eine zügige Einschränkung auf geeignete Werte zu erreichen. Anschließend wird ein inkrementeller Nachverfolgungsmodus dazu verwendet, um einen genaueren Wert zu erzeugen. Zusätzlich kann der finale bzw. endgültige Wert, d.h. die digitale Ausgabe, gefiltert oder gemittelt werden, um das Rauschen zu verringern.
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1 ist ein Schaubild einer Sensorvorrichtung 100, die einen Dualmodus-Konverter 104 für Analog-Digital-Konvertierung beinhaltet. Die Vorrichtung 100 wird in einer vereinfachten Form dargestellt, um das Verständnis zu fördern. Die Vorrichtung 100 wird als ein Beispiel einer Vorrichtung zum Detektieren von Eigenschaften wie beispielsweise Temperatur, Bewegung, etc. bereitgestellt.
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Die Vorrichtung 100 beinhaltet einen Sensor 102, den Dualmodus-Konverter 104 und eine Steuereinheit 106. Das Sensorelement 102 stellt ein oder mehrere detektierte Werte als ein Signal 108 bereit. Die Werte werden in analoger Form erzeugt und tragen Information über eine detektierte Eigenschaft, wie beispielsweise Bewegung, Geschwindigkeit, Temperatur, etc. In einem Beispiel beinhalten die Werte 108 eine Spannung und eine Spannungsdifferenz. Die Spannungsdifferenz und die Spannung werden zusammen mit bekannten Spannungsabhängigkeiten dazu verwendet, um Temperaturen, etc. zu bestimmen. Es kann angenommen werden, dass die Werte 108 während der Konvertierung vergleichsweise konstant verbleiben. Geringe Variationen können in dem Multi-Bit-inkrementellen Modus nachverfolgt werden, so dass optional ein Eingang-Alias-Filter entbehrlich ist.
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Das Sensorelement 102 kann eines einer Vielzahl von Sensorelementen sein. Z.B. kann das Sensorelement eines der folgenden umfassen: ein Magnetsensorelement, ein Hall-Sensorelement, ein Temperatur-Sensorelement, ein mechanisches Sensorelement, ein Verspannungs-Sensorelement, ein Spannungs-Sensorelemente, ein Strom-Sensorelemente und vergleichbare Sensorelemente.
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Die Konvertierung des Signals 108 kann durch ein Ereignis oder einen Trigger initiiert werden. In einem Beispiel initiiert die Steuereinheit 106 die Konvertierung als Reaktion auf ein externes Triggersignal. In einem weiteren Beispiel initiiert die Steuereinheit 106 die Konvertierung als Reaktion auf die Anwesenheit des Signals 108. Die Konvertierung kann auch periodisch oder zyklisch durchgeführt werden. Zum Beispiel kann die Konvertierung alle paar Mikrosekunden durchgeführt werden.
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Um eine Leistungsaufnahme zu verringern, können zumindest Abschnitte des Konverters 104 nach Fertigstellung der Konvertierung heruntergefahren werden oder in eine Schlafphase gebracht werden. Zusätzlich kann der Konverter als Teil des Initiierens der Konvertierung aus der heruntergefahrenen Phase oder der Schlafphase betriebsbereit geschaltet werden. Darüber hinaus kann der Konverter 104 für den Betrieb mit selektierten Arbeitszyklen (engl. duty cycle) eingerichtet sein, um die Leistungsaufnahme zu reduzieren. Zum Beispiel kann die Verwendung des Grobmodus zu einer schnelleren Konvertierung des Eingangssignals 108 führen, wodurch die Leistungsaufnahme reduziert wird.
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Der Dualmodus-Konverter 104 verwendet einen Grobmodus unter Verwendung des SAT-Modus und einen Feinmodus unter Verwendung der Multi-Bit-inkrementellen Nachverfolgung, um eine digitale Ausgabe 115 basierend auf dem Eingangssignal 108 bereitzustellen. Der Grobmodus stellt eine grobe Approximation des Eingangssignals 108 mit einer geringen Auflösung bereit. Darüber hinaus wird der Grobmodus mit einer großen Bandbreite und Geschwindigkeit betrieben. In einem Beispiel weist die grobe Approximation eine Auflösung von 6 Bit auf. In einem weiteren Beispiel weist die grobe Approximation eine Auflösung von beispielsweise 4 Bit auf. Der Grobmodus erzeugt die Grobapproximation über eine Anzahl von Zyklen sukzessiv, bis eine selektierte Auflösung erhalten wird. Anschließend wird die Grobapproximation in dem Feinmodus verwendet, um Referenzwerte innerhalb eines kleinen Bereichs anzupassen und um die Referenzwerte im Fall von kleinen Variationen des Eingangssignals nachzuverfolgen.
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Der Konverter 104 wird in dem Feinmodus betrieben, der auch als Multi-Bit-inkrementeller Modus bezeichnet wird, um eine feine Approximation als die digitale Ausgabe 115 bereitzustellen. Der Feinmodus wird bei einer geringeren Bandbreite und einer geringerer Geschwindigkeit als der Grobmodus betrieben – reduziert jedoch Rauschen substanziell und wird daher z.B. als ein Anti-Aliasing-Filter betrieben. Die digitale Ausgabe 115 kann ein hochaufgelöstes Signal bereitstellen, wie beispielsweise 12 Bits; dies kann z.B. durch Mitteln oder Filtern der Werte, die inkrementell (bzw. in dem Feinmodus) abgeleitet werden, umfassen.
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Der Konverter 104 verwendet mehrere Bits und die Grobapproximation des Grobmodus, was als Multi-Bit-inkrementelle Nachverfolgung bezeichnet wird, um die Feinapproximation in dem Feinmodus sukzessiv zu aktualisieren. Andere Ansätze sind auf Einzel-Bit-Änderungen eines Rückkopplungssignals beschränkt. Jedoch beinhaltet die Multi-Bit-inkrementelle Nachverfolgung, die in dem von dem Konverter 104 verwendeten Feinmodus verwendet wird, das Einsetzen von multiplen Bits/Niveaus als Rückkopplungssignal. Das Verwenden des Grobmodus und des Feindmodus in einer sukzessiven Art und Weise kombiniert die Geschwindigkeit und große Bandbreite des Grobmodus mit der geringeren Geschwindigkeit und geringeren Bandbreite, jedoch größeren Genauigkeit und geringerem Rauschen des Feinmodus. Jeder der Modi benötigt eine Anzahl von Zyklen, um die Grobapproximation und die Feinapproximation zu erhalten. In einem Beispiel verwendet der Konverter 104 weniger als 10 Zyklen für den Grobmodus und weniger als 300 zusätzliche Zyklen für den Feinmodus.
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Die Steuereinheit 106 ist mit dem Konverter 104 und dem Sensor 102 gekoppelt. Die Steuereinheit 106 steuert den Betrieb beider Komponenten. Insbesondere initiiert die Steuereinheit 106 den Betrieb des Dualmodus-Konverters 104 in dem Grobmodus und schaltet zu gegebener Zeit den Betrieb des Konverters 104 in den Feinmodus.
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Die Vorrichtung 100 wurde in Bezug auf ein einzelnes Sensorelement 102 für illustrative Zwecke beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass mehrere Sensorelemente, beinhaltend Sensorelemente verschiedensten Typs, mit der Vorrichtung 100 gekoppelt und eingesetzt werden können, um digitale Ausgaben von mehreren Sensoren abzuleiten. In einem Beispiel wird ein Multiplexer dazu verwendet, um mehrere Sensoren mit dem Dualmodus-Konverter 104 zu koppeln.
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2 ist ein Schaubild, welches einen Dualmodus-Analog-Digital-Konverter 200, der mehrere Modi verwendet, illustriert. Der Konverter 200 verwendet einen schnellen, Grobmodus, um ein niederaufgelöstes Ergebnis zu erzeugen; und verwendet einen langsameren bzw. integrierenden Feinmodus, um eine hochaufgelöste digitale Ausgabe 115 zu erzeugen. Der Konverter 200 wird in vereinfachter Form dargestellt.
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Der Konverter 200 beinhaltet eine Komponente (Zerhacker, Multiplexer oder Modulator) 224, eine erste Stufe 216, eine zweite Stufe 218, eine Digitalkomponenten 220, und in einem Beispiel eine Stromleit- oder Spannungsreferenz als Digital-Analog-Konverter (DAC) 222. Eine Steuereinheit 106 ist bereitgestellt und steuert den Modus und/oder den Betrieb der ersten Stufe 216.
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Die Komponente 224 empfängt ein Eingangssignal 108. In einem Beispiel beinhaltet die Komponente 224 einen Zerhacker (engl. chopper), der eingerichtet ist, um das Signal 108 gemäß einem Synchronzeitgeber zu zerhacken, um Rauschen und/oder einen Nullpunktsversatz (engl. Offset) von dem Signal und der ersten Stufe 216 zu entfernen. In einem weiteren Beispiel beinhaltet die Komponente 224 einen Multiplexer, der eingerichtet ist, um das Signal 108 von einem oder mehreren Sensorelementen zu empfangen. Eine Ausgabe der Komponente 224 wird der ersten Stufe 216 bereitgestellt.
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Die erste Stufe 216 wird in dem Grobmodus als ein Komparator betrieben und wird in dem hochauflösenden Feinmodus als Integrator oder Komparator mit reduzierter Bandbreite betrieben. Die Steuereinheit 106 konfiguriert die erste Stufe 216 derart, dass sie gemäß dem jeweiligen Modus als der Komparator oder Integrator betrieben wird. Wenn die erste Stufe als Komparator betrieben wird, vergleicht die erste Stufe 216 einen Eingangswert vergleichsweise schnell mit Referenzwerten, die durch den DAC 222 bereitgestellt werden. Die erste Stufe 216 erzeugt basierend auf dem Vergleich eine schnelle Ausgabe (Vergleichsausgabe oder Komparatorausgabe), die als Approximation bezeichnet wird.
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Wenn die erste Stufe 216 als ein Integrator bzw. als ein Komparator mit reduzierter Bandbreite betrieben wird, integriert die erste Stufe 216 den Eingangswert gemäß Referenzwerten, die durch den DAC 222 bereitgestellt werden. Die integrierten bzw. tiefpassgefilterten Werte werden als Ausgabe (Integrationsausgabe) der ersten Stufe 216 bereitgestellt; diese Ausgabe wird auch als eine Approximation bezeichnet.
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Die zweite Stufe 218 speichert oder hält (engl. latch) die Ausgabe der ersten Stufe und stellt ihre Ausgabe der Digitalkomponente 220 bereit.
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Die Digitalkomponente 220 führt in dem SAT-Modus SAT vergleichsweise schnell durch; und führt in dem inkrementellen Nachverfolgungsmodus eine langsamere, jedoch genauere Approximation durch. Die Digitalkomponente 220 empfängt die Ausgabe der zweiten Stufe 218 als Eingang und stellt einen besonders genauen konvertierten Digitalwert als Ausgabe 115 bereit.
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Die Digitalkomponente 220 erzeugt ein Rückkopplungssignal 226 und stellt das Rückkopplungssignal dem Stromleit-DAC 222 basierend auf der Ausgabe der zweiten Stufe 218 bereit. Im Rahmen des Grobmodus wird die Ausgabe dazu verwendet, um Grobreferenzwerte, die von der ersten Stufe 216 verwendet werden, zu aktualisieren. Im Rahmen des Feinmodus wird die Ausgabe dazu verwendet, um Feinreferenzwerte, die von der ersten Stufe 216 verwendet werden, zu aktualisieren. Die Digitalkomponente 220 kann in einem Beispiel einen Mittler, Summierer oder Filter für alle abgetasteten inkrementellen Werte oder für Teile der abgetasteten inkrementellen Werte beinhalten.
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Der Stromleit-DAC 222 ist eingerichtet, um das Rückkopplungssignal 226 zu empfangen und stellt die Referenzwerte der ersten Stufe 216 bereit. Die Referenzwerte werden auch als Stromleitwerte bezeichnet. Die Referenzwerte können in einem Beispiel in der Form von Strömen oder Spannungen bereitgestellt werden.
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3 ist ein Schaubild, welches einen Dualmodus-Analog-Digital-Konverter 300 illustriert. Der Konverter 300 verwendet einen schnellen, groben Modus, um ein niedrig aufgelöstes Ergebnis zu erzeugen, und verwendet einen langsameren, feinen Modus, um eine hochaufgelöste digitale Ausgabe 115 zu erzeugen. Der Konverter 300 wird in größerem Detail als der oben beschriebene Konverter 200, der in 2 gezeigt ist, dargestellt.
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Der Konverter 300 beinhaltet einen Zerhacker 224, eine erste Stufe 216, eine zweite Stufe 218, eine Digitalkomponente 220 und einen Stromleit-DAC 222.
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Der Zerhacker 224 empfängt ein Eingangssignal 108. Der Zerhacker 224 zerhackt das Signal 108 gemäß einem Synchronzeitgeber, um Rauschen und/oder einen Nullpunktversatz (engl. offset) von dem Signal, der ersten Stufe 216 und optional dem DAC 222 zu entfernen. Darüber hinaus erhöht der Zerhacker 224 die Genauigkeit oder Auflösung weiter. Das Eingangssignal 108 stammt typischerweise von einem Sensor, wie beispielsweise einem Sensor, der drehende Hall-Platten aufweist, und kann als vergleichsweise konstant während der Konvertierung angenommen werden. Eine Ausgabe des Zerhackers 224 wird der ersten Stufe 216 bereitgestellt.
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Die erste Stufe 216 wird in dem Grob-SAT-Modus als ein Komparator betrieben; und in dem hochauflösenden Feinmodus als ein Integrator betrieben. Schaltbare Kondensatoren 332a und 332b sind mit differenziellen Ausgängen der ersten Stufe 216 gekoppelt.
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Für den Grobmodus sind die Kondensatoren 332a, 332b von den differenziellen Ausgängen getrennt. Für den Feinmodus, der auch als der inkrementelle Modus bezeichnet wird, sind die Kondensatoren 332a, 332b mit den differenziellen Ausgängen verbunden, was in einer zeitkontinuierlichen Integrationsfunktion resultiert, die Alias-Effekte durch kontinuierliches Filtern reduziert. Der Ausgang der ersten Stufe 216 wird der zweiten Stufe 218 bereitgestellt.
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Die zweite Stufe 218 speichert oder hält (engl. latch) die Ausgabe der ersten Stufe 216 und stellt jeder Ausgabe der Digitalkomponente 220 bereit.
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Die Digitalkomponente 220 führt in dem SAT-Modus relativ schnelles SAT durch; und führt in dem inkrementellen Nachverfolgungsmodus eine langsamere, jedoch genauere Approximation durch. Die Digitalkomponente 220 empfängt die Ausgabe der zweiten Stufe 218 als ihre Eingabe und stellt einen besonders genauen konvertierten Digitalwert als Ausgabe 115 bereit.
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Die Digitalkomponente 220 beinhaltet einen Logikabschnitt 328, der die Modi durchführt und steuert. Die Digitalkomponente beinhaltet ferner einen Digitalzerhacker 330. Der Logikabschnitt 328 berechnet die Ergebnisse und aktualisiert das Rückkopplungssignal 226 für jeden Zyklus. Der Digitalzerhacker 330 entfernt oder verringert einen Nullpunktversatz etc. des Rückkopplungssignals 226.
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Die Digitalkomponente 220 stellt auch das Rückkopplungssignal 226 dem Stromleit-DAC 222 bereit. Das Rückkopplungssignal 226 beinhaltet Grob- oder Feinreferenzwerte gemäß des jeweiligen Modus. Das Rückkopplungssignal 226 wird in digitaler Form bereitgestellt. Der Stromleit-DAC 222 stellt die Leitwerte der ersten Stufe 216 in analoger Form bereit.
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Wie obenstehend beschrieben, gibt es mehrere Betriebsmodi, die einen grobauflösenden SAT-Modus und einen feinauflösenden Multi-Bit-inkrementellen Modus beinhalten. Als erstes wird der Grobmodus wird unter Verwendung des Eingangssignals gemäß einer selektierten Bitauflösung durchgeführt und erzeugt ein Ergebnis, das auch als eine Grobapproximation bezeichnet wird. Das Ergebnis wird für den nachfolgenden feinauflösenden Modus verwendet, der auch das Eingangssignal verwendet und das digitale Ausgangssignal erzeugt, welches eine selektierte Auflösung aufweist.
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Der Eingangszerhacker 224, der auch ein Multiplexer sein kann, kann 2, 4 oder 8 Eingangssignale in einer Anzahl von Zyklen bereitstellen. Die Anzahl der Zyklen hängt zumindest teilweise von dem Zerhacker 224 und/oder Phasen des Sensors (z.B. dem Drehstromphasensystem eines Hall-Sensors) ab. Zum Beispiel wird eine Sequenz 1-2-3-4 betrachtet, bei der die Ausgabe jedes Mal in dem Grobmodus und dem Feinmodus prozessiert wird. Die zweite Stufe 218 speichert und stellt die Ausgabe der Logik 328 und dem Betrieb des Synchronzeitgebers bereit. Die Logik 328 erzeugt ein Ergebnis/eine Approximation und aktualisiert Referenzwerte, die dem DAC 222 mittels des Rückkopplungssignals 226 bereitgestellt werden. Die Logik 328 ermittelt einen Mittelwert oder die signierte Summe der Drehsequenz, um Versatz des Signals und der Eingangsstufe 216 und die den Drehversatz des Hall-Sensors zu verringern.
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Für den Feinmodus wird die erste Stufe 216 als ein Integrator betrieben und integriert ihre Eingabe gemäß wechselnder Referenzwerte für eine selektierte Anzahl von Zyklen. In einem Beispiel wird die erste Stufe 216 als ein kontinuierlicher Zeitintegrator betrieben. Die Variation zwischen Referenzwerten, die auch als inkrementelle Bandbreite bezeichnet wird, ist geringer als die des Grobmodus. Die integrierte Ausgabe wird der zweiten Stufe 218 bereitgestellt, die basierend auf dem Synchronzeitgeber betrieben wird. Die Logik 328, die in dem Feinmodus betrieben wird, approximiert einen Wert sukzessive und aktualisiert Referenzwerte für den Feinmodus in jeder Sequenz. Die Logik 328 verwendet in einem Beispiel einen Zähler (engl. counter), wie beispielsweise einen Aufwärts/Abwärts-Zähler, um die Referenzwerte durch mehrere Bits zu aktualisieren. In einem weiteren Beispiel verwendet die Logik 328 digitales Nachverfolgen und/oder digitale Integration, um die Referenzwerte bei mehreren Bits anzupassen. In noch einem weiteren Beispiel verwendet die Logik 328 digitale Nachverfolgung, die adaptiv in Bezug auf eine Steigung des Eingangssignals ausgestaltet ist. Derart kann eine größere Steigung einem größeren Schritt oder einer größeren Änderung der Referenzwerte und eine geringere Steigung einem geringerem Schritt oder einer geringerer Änderung der Referenzwerte entsprechen. Eine selektierte Anzahl von Zyklen wird durchgeführt, bis eine Feinapproximation erhalten wird. In einem Beispiel beträgt die Auflösung des Feinmodus 12 Bit und kann durch Mitteln der inkrementellen Werte und Sequenzen weiter erhöht werden.
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Die Werte jeder Sequenzphase können als Startwerte für den DAC 222 in der nachfolgenden geeigneten Sequenzphase verwendet werden. In einer Sequenzphase 1-2-3-4-1-2-2-4-1-2-2-4 ... verwendet jede Sequenzphase/jeder Zyklus 1 das vorhergehende Ergebnis der Sequenzphase 1 als ein Startwert, um die benötigte Schrittanzahl für die Grobphase zu reduzieren. Jede Sequenzphase/jeder Zyklus beinhaltet eine Grob- und eine Feinkonvertierung.
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4 ist ein Schaubild, das die digitale Logik 328 einer Digitalkomponente, die in einem Dualmodus-Konverter verwendet wird, illustriert. Die Logik 328 wird für beispielhafte Zwecke bereitgestellt und es soll erkannt werden, dass andere geeignete Konfigurationen erlaubt sind. Die Logik 328 kann in den oben beschriebenen Vorrichtungen und Konvertern und in den Verfahren, die nachfolgend beschrieben werden, eingesetzt werden.
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Die Logik 328 beinhaltet eine sukzessiv-approximative Logik 430 und eine Multi-Bit-inkrementelle Logik 432. Die sukzessiv-approximative Logik 430 wird während des Grobmodus betrieben und steuert und führt durch die sukzessive Approximation eines Eingangssignals.
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Die Multi-Bit-inkrementelle Logik 432 wird während des Feinmodus betrieben und steuert die Multi-Bit-inkrementelle Nachverfolgung des Eingangssignals unter Verwendung des Grobmodus, der durch die sukzessiv-approximative Logik 430 bereitgestellt wird. Die Multi-Bit-inkrementelle Nachverfolgung verwendet mehrere Bits/Niveaus als Rückkopplungssignal, um die sukzessiven Approximationen in dem Feinmodus zu aktualisieren. Zum Beispiel werden aktualisierte Referenzwerte, die länger als ein Bit sind, verwendet, wie beispielsweise 7 Bit, 12 Bit, etc. Darüber hinaus kann die inkrementelle Logik 432 in einem Beispiel auch Filtern und/oder Mitteln durchführen, um das Rauschen zu reduzieren, um die Anzahl der Bits zu erhöhen und um das Signal auszugeben.
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5 ist ein Graph, der einen beispielhaften Betrieb 500 eines Dualmodus-Konverters darstellt. Der beispielhafte Betrieb 500 kann von einem der oben dargestellten Dualmodus-Konverter erhalten werden, wie beispielsweise Konverter 200, und/oder basierend auf Variationen daraus. Der Betrieb 500 wird als ein Beispiel für illustrative Zwecke bereitgestellt und es soll erkannt werden, dass andere Betriebe mit anderen Approximationen oder Werten möglich sind. Der Grobmodus beginnt mit relativ großen Änderungen der Referenzniveaus/-werte, während der Feinmodus eine finale Nachverfolgung und Rausch-Anpassfunktion mit geringen Änderungen der Referenzwerte bereitstellt.
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Der Betrieb des Konverters basiert auf einem Eingangswert und dem Betrieb und den Zyklen, die in dem Grobmodus und dem Feinmodus durchgeführt werden. Wie obenstehend beschrieben verwendet der Grobmodus sukzessive Approximation, um schnell eine grobe Approximation zu erhalten. Für jeden Zyklus werden aktualisierte Referenzwerte ausgewählt und dazu verwendet, um eine aktualisierte Approximation zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Digitalkomponente 220 eingerichtet sein, um Referenzwerte basierend auf einer Approximation zu aktualisieren. Die aktualisierten Referenzwerte werden mittels des DAC 222 für eine nächste Approximation bereitgestellt. Hier kann erkannt werden, dass die Approximation in einer relativ geringen Anzahl von Zyklen zu einem stabilen Wert konvergiert.
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Der Feinmodus verwendet die Grobapproximation als Startwert für Referenzwerte und für den Feinmodus wird die Auflösung der Grobapproximation gleich Referenzwerten gesetzt. Die Referenzwerte haben in dem Feinmodus eine vergleichsweise geringe Bandbreite. In dem Feinmodus wird das Eingangssignal integriert und Rausch-geformt, wie in herkömmlichen Sigma-Delta-ADCs, jedoch unter Verwendung von Multi-Bit-Referenzwerten, die in jedem Zyklus aktualisiert werden. Die aktualisierten Referenzwerte basieren auf der Integration des Eingangssignals und einer Multi-Bit-inkrementellen Nachverfolgung. Derart wird der Feinmodus mit Multi-Bit-inkrementeller Nachverfolgung betrieben und es ist ersichtlich, dass sich die Approximation in jedem Zyklus nur vergleichsweise wenig ändert. Nach einer geeigneten Anzahl von Zyklen wird eine Feinapproximation, die die selektierte Auflösung aufweist, erhalten. Die Feinapproximation wird als die digitale Ausgabe bereitgestellt.
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6 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren 600 zum Konvertieren eines Sensorwertes in eine digitale Ausgabe illustriert. Das Verfahren 600 verwendet mehrere Modi, um die Konvertierung mit geringer Leistungsaufnahme und geringem Rauschen durchzuführen.
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Das Verfahren 600 beginnt bei Block 602, in welchem ein Eingangssignal oder – wert erhalten wird. Das Eingangssignal stammt von einem Sensor, wie beispielsweise einem Hall-Sensor, und verbleibt über eine bestimmte Zeitspanne vergleichsweise konstant. Das Eingangssignal kann auch durch Zwei-Phasen- oder Vier-Phasen-Drehung oder Zerhackung erzeugt werden. Zusätzlich kann ein Nullpunktsversatz etc. von dem Eingangssignal durch den Zerhacker entfernt werden, wie beispielsweise dem Zerhacker 224, der obenstehend beschrieben wurde.
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Eine Grobapproximation des Eingangssignals wird bei Block 604 unter Verwendung von SAT erhalten. Die Grobapproximation weist eine vergleichsweise geringe Auflösung auf, wie beispielsweise 4 Bit oder 6 Bit, und wird über eine Anzahl von Zyklen erhalten.
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Eine Multi-Bit-inkrementelle Nachverfolgung oder Feinapproximation des Eingangssignals wird unter Verwendung der Grobapproximation und der Multi-Bit-inkrementellen Nachverfolgung bei Block 606 erhalten. Die Grobapproximationsnachverfolgung wird dazu verwendet, um eine vergleichsweise enge Referenzwertbandbreite zu identifizieren. Die Grobapproximation wird innerhalb der identifizierten Referenzbandbreite betrieben. Mehrere Zyklen werden durchgeführt, um die Multi-Bit-Approximation mit einer vergleichsweise hohen Auflösung zu erhalten. In einem Beispiel wird die Multi-Bit-Approximation mit einer Auflösung von mindestens 12 Bit erhalten.
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Die Multi-Bit-Approximation wird als eine digitale Ausgabe oder Repräsentation des Eingangssignals bei Block 608 bereitgestellt. Die digitale Ausgabe weist die hohe Auflösung, die bei Block 607 bereitgestellt wird, auf. Als Ergebnis wird die digitale Ausgabe mit einer hohen Auflösung mit geringer Leistungsaufnahme in einer kurzen Zeitdauer erhalten.
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7 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betreiben eines Analog-Digital-Konverters in dem Grobmodus illustriert. In diesem Modus wird sukzessive Approximation dazu verwendet, um vergleichsweise schnell eine Grobapproximation eines Eingangssignals oder eines Wertes zu erhalten.
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Ein Eingangssignal wird bei Block 702 empfangen. Das Eingangssignal ist ein DC-Signal und wird typischerweise durch einen Sensor bereitgestellt, wie beispielsweise einem Hall-Sensor. Das Eingangssignal kann einen Nullpunktsversatz aufweisen oder anderes unerwünschtes Rauschen, welches durch eine Komponente wie beispielsweise einen Zerhacker entfernt werden kann. Das Eingangssignal bleibt vergleichsweise konstant.
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Referenzwerte werden bei Block 704 gemäß einem Initialwert oder einer vorangehenden Vergleichsapproximation bestimmt. Die Initialwerte für einen ersten Zyklus können feste vorgegebene Werte sein, wie beispielsweise eine Spannung oder ein Strom. Nachfolgende Zyklen verwenden die vorangehenden Vergleichsapproximationen, die zu den Referenzwerten hinzugefügt oder von den Referenzwerten subtrahiert werden, um die Referenzwerte zu erzeugen/zu aktualisieren. Zusätzlich können integrierende Kondensatoren, wie beispielsweise Kondensatoren 332, die obenstehend beschrieben wurden, eingerichtet sein, um von einem Ausgang einer ersten Stufe getrennt zu sein.
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Das Eingangssignal wird mit den Referenzwerten bei Block 706 verglichen, um eine Vergleichsapproximation zu erzeugen.
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Bei 708 wird bestimmt, ob die Vergleichsapproximation bis zu einem selektierten Bit oder dem LSB durchgeführt wurde. Jeder Durchlauf oder Zyklus durch das Verfahren verbessert die Auflösung um ein Bit. In einem Beispiel wird die Approximation bis zu einem LSB von 4 Bit durchgeführt.
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Sobald die Vergleichsapproximation dazu geeignet ist, wird die Vergleichsapproximation als eine Grobapproximation bei Block 710 bereitgestellt. Andernfalls wird Block 704 in einem nächsten Zyklus von dem Verfahren 700 durchgeführt, wobei die Referenzwerte gemäß der Vergleichsapproximation aktualisiert werden.
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Das Verfahren 700 kann solange fortgeführt werden, bis eine vorgegebene Anzahl von Zyklen erreicht wird und/oder bis eine geeignete Grobapproximation erhalten wird.
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8 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betreiben eines Analog-Digital-Konverters in einem Feinmodus illustriert. In diesem Modus wird die Multi-Bit-inkrementelle Nachverfolgung dazu verwendet, um eine Multi-Bit- oder Feinapproximation eines Eingangssignals oder -wertes zu erhalten.
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Ein Eingangssignal und eine Grobapproximation werden bei Block 802 empfangen. Das Eingangssignal ist ein DC-Signal und es wird typischerweise von einem Sensorelement, wie beispielsweise einem Hall-Sensor, einem magnetischen Sensor, einem Temperatursensor, einem Verspannungssensor, etc. bereitgestellt. Das Eingangssignal kann einen Nullpunktsversatz oder anderes unerwünschtes Rauschen aufweisen, was durch eine Komponente wie beispielsweise einem Zerhacker entfernt werden kann. Das Eingangssignal verbleibt vergleichsweise konstant.
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Referenzwerte für den Feinmodus werden bei Block 804 gemäß einem Initialwert oder einer vorangehenden Integrationsapproximation bestimmt. Zusätzlich können integrierende Kondensatoren, wie beispielsweise die Kondensatoren 332, die obenstehend beschrieben wurden, eingerichtet sein, um mit einem Ausgang einer ersten Stufe verbunden zu sein, um Integrationsfunktionalität durchzuführen.
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In einem Beispiel werden die Referenzwerte basierend auf einem Zähler aktualisiert. Die Referenzwerte können durch Aufwärtszählen größer und durch Abwärtszählen kleiner gemacht werden. Darüber können die Referenzwerte an mehreren Bits aktualisiert werden, wie beispielsweise bei 3 Bits, 7 Bits, 12 Bits, etc. Andere Ansätze sind auf Einzel-Bit-Aktualisierungen beschränkt.
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Das Eingangssignal wird mit den Referenzwerten bei Block 806 integriert, um eine Integrationsapproximation zu erzeugen.
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Dann wird bei Block 808 bestimmt, ob die Integrationsapproximation vollständig ist. Die Bestimmung, dass die Integrationsapproximation vollständig ist, wird typischerweise nach einem Satz oder selektierter Anzahl von Zyklen/Schritten gemacht, wie beispielsweise nach 8, 23, 256, etc. Zyklen/Schritten.
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Sobald die Integrationsapproximation abgeschlossen ist, wird die Integrationsapproximation als eine Feinapproximation bei Block 810 bereitgestellt. Die geeignete Feinapproximation ist eine Digitalkonvertierung des Eingangssignals. Die geeignete Feinapproximation wird auch digitale Ausgabe bezeichnet. Die digitale Ausgabe hat eine selektierte Feinauflösung und wird durch eine vergleichsweise geringe Anzahl von Zyklen des Verfahrens 800 erhalten.
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Sofern die Integrationsapproximation nicht abgeschlossen ist, führt das Verfahren 800 in Block 804 den nächsten Zyklus aus, wobei die Referenzwerte gemäß der Integrationsapproximation aktualisiert werden.
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Das Verfahren 800 kann solange fortgeführt werden, bis eine vorgegebene Anzahl von Zyklen durchgeführt wird und/oder bis eine geeignete Feinauflösung erhalten wird.
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Die in Bezug auf die obenstehenden Flussdiagramme beschriebene Abfolge von Schritten kann in anderen Ausführungsformen variiert werden.
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Selbstverständlich können die Merkmale der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen und für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
