DE102020211321A1

DE102020211321A1 - Device and method for converting an analog input signal into a digital signal value and sensor device

Info

Publication number: DE102020211321A1
Application number: DE102020211321.1A
Authority: DE
Inventors: David Thissen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kompensation von Nicht-Linearitäten in einem A/D-Wandler. Hierzu wird ein analoges Eingangssignal nacheinander mit mehreren unterschiedlichen Offsets beaufschlagt und eine A/D-Wandlung mit den verschiedenen Offsets durchgeführt. Nach Kompensation der digitalen Ausgabewerte des A/D-Wandlers entsprechend dem jeweiligen Offset kann aus den mehreren digitalen Werten ein Mittelwert gebildet werden.The present invention relates to compensation for non-linearities in an A/D converter. For this purpose, an analog input signal is successively applied with several different offsets and an A/D conversion is carried out with the different offsets. After the digital output values of the A/D converter have been compensated according to the respective offset, an average value can be formed from the plurality of digital values.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Konvertierung eines analogen Eingangssignals in einen digitalen Signalwert. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Sensorvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung.The present invention relates to a device and a method for converting an analog input signal into a digital signal value. The present invention also relates to a sensor device with such a device.

Stand der TechnikState of the art

Um analoge Signale in einem digitalen System verarbeiten zu können werden beispielsweise Analog-zu-Digital-Wandler eingesetzt. Diese Analog-zu-Digital-Wandler empfangen ein analoges Eingangssignal, beispielsweise eine elektrische Spannung mit variabler Spannungshöhe, und liefern als Ausgangssignal einen zu dem analogen Eingangssignal korrespondierenden digitalen Wert. Eine optimale Übertragungsfunktion eines idealen A/D-Wandlers kann dabei beispielsweise einer Treppenfunktion mit konstanter Stufenbreite entsprechen. In der Realität können jedoch die Breiten der einzelnen Stufen einer solchen Treppenfunktion geringfügig variieren. Neben diesen differentiellen Nicht-Linearitäten eines A/D-Wandlers kann ein Ausgabewert eines A/D-Wandlers beispielsweise noch weitere integrale Nicht-Linearitäten aufweisen.In order to be able to process analog signals in a digital system, analog-to-digital converters are used, for example. These analog-to-digital converters receive an analog input signal, for example an electrical voltage with a variable voltage level, and supply a digital value corresponding to the analog input signal as the output signal. An optimal transfer function of an ideal A/D converter can, for example, correspond to a step function with a constant step width. In reality, however, the widths of the individual steps of such a step function can vary slightly. In addition to these differential non-linearities of an A/D converter, an output value of an A/D converter can also have other integral non-linearities, for example.

Die Druckschrift DE 2007 056 732 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analog-zu-Digital-Wandlung. Zur Digitalisierung eines analogen Messsignals wird vorgeschlagen, einen A/D-Wandler zu verwenden, bei dem der von einem analogen Messwert abzuziehende Offset innerhalb einer Regelschleife berücksichtigt wird. Mittels dieser Regelschleife kann ein nach dem Modulationsprinzip arbeitender A/D-Wandler rückgekoppelt werden.The pamphlet DE 2007 056 732 A1 discloses an apparatus and method for analog to digital conversion. In order to digitize an analog measurement signal, it is proposed to use an A/D converter in which the offset to be subtracted from an analog measurement value is taken into account within a control loop. An A/D converter working according to the modulation principle can be fed back by means of this control loop.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Konvertierung eines analogen Eingangssignals in einen digitalen Signalwert sowie eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention relates to a device and a method for converting an analog input signal into a digital signal value and a sensor device having the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject matter of the dependent patent claims.

Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is provided:

Eine Vorrichtung zur Konvertierung eines analogen Eingangssignals in einen digitalen Signalwert mit einem Analog-zu-Digital-Wandler und einer Verarbeitungseinrichtung. Der Analog-zu-Digital-Wandler ist dazu ausgelegt, ein analoges Eingangssignal zu empfangen und das empfangene Eingangssignal mit einem vorgegebenen Offset zu kombinieren. Ferner ist der Analog-zu-Digital-Wandler dazu ausgelegt, die Kombination aus analogem Eingangssignal und vorgegebenem Offset in einen korrespondierenden digitalen Signalwert zu konvertieren. Die Verarbeitungseinrichtung ist dazu ausgelegt, den digitalen Signalwert von dem A/D-Wandler zu empfangen und den empfangenen digitalen Signalwert und Verwendung des jeweils am A/D eingestellten Offsets zu kompensieren. Weiterhin ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, an dem A/D-Wandler mehrere unterschiedliche Offsets einzustellen. Schließlich ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, einen Mittelwert der kompensierten digitalen Signalwerte zu berechnen.A device for converting an analog input signal into a digital signal value with an analog-to-digital converter and a processing device. The analog-to-digital converter is designed to receive an analog input signal and to combine the received input signal with a predetermined offset. Furthermore, the analog-to-digital converter is designed to convert the combination of analog input signal and predefined offset into a corresponding digital signal value. The processing device is designed to receive the digital signal value from the A/D converter and to compensate for the received digital signal value and use the offset set in each case on the A/D. Furthermore, the processing device is designed to set a number of different offsets on the A/D converter. Finally, the processing device is designed to calculate an average value of the compensated digital signal values.

Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore, it is provided:

Eine Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement, das dazu ausgelegt ist, ein zu einer Sensorgröße korrespondierendes analoges Sensorsignal bereitzustellen. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konvertierung des analogen Sensorsignals.A sensor device with a sensor element that is designed to provide an analog sensor signal that corresponds to a sensor variable. Furthermore, the sensor device includes a device according to the invention for converting the analog sensor signal.

Schließlich ist vorgesehen:Finally it is envisaged:

Ein Verfahren zur Konvertierung eines analogen Eingangssignals in einen digitalen Signalwert. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Empfangen eines analogen Eingangssignals und einen Schritt zum Kombinieren des empfangenen Eingangssignals mit einem vorgegebenen Offset. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Konvertieren der Kombination aus analogem Eingangssignal und vorgegebenem Offset in einen korrespondierenden digitalen Signalwert. Darüber hinaus umfasst das Verfahren einen Schritt zum Kompensieren des digitalen Signalwerts entsprechend dem jeweils vorgegebenen Offset mit welchem das analoge Eingangssignal kombiniert worden ist. Insbesondere wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren nacheinander das analoge Eingangssignal mit mehreren unterschiedlichen vorgegebenen Offsets kombiniert. Dabei werden die jeweils resultierenden digitalen Signalwerte entsprechend dem jeweiligen Offset kombiniert. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Berechnen eines Mittelwerts der kompensierten digitalen Signalwerte.A method of converting an analog input signal into a digital signal value. The method includes a step of receiving an analog input signal and a step of combining the received input signal with a predetermined offset. Furthermore, the method includes a step for converting the combination of analog input signal and predefined offset into a corresponding digital signal value. In addition, the method includes a step for compensating the digital signal value according to the respectively specified offset with which the analog input signal has been combined. In particular, in the method according to the invention, the analog input signal is combined with a number of different predefined offsets one after the other. The respective resulting digital signal values are combined according to the respective offset. Finally, the method includes a step of calculating an average of the compensated digital signal values.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Konvertierung von analogen Signalen in korrespondierende digitale Signalwerte, beispielsweise mittels eines Analog-zu-Digital-Wandlers, systembedingt Nicht-Linearitäten auftreten können. Diese Nicht-Linearitäten können insbesondere zu Abweichungen zwischen dem tatsächlichen analogen Signal und dem resultierenden korrespondierenden digitalen Signalwert führen. Beispielsweise kann es sich bei diesen Nicht-Linearitäten um differentielle und/oder integrale Nicht-Linearitäten handeln.The present invention is based on the knowledge that system-related non-linearities can occur when analog signals are converted into corresponding digital signal values, for example by means of an analog-to-digital converter. In particular, these non-linearities can lead to deviations between the actual analog signal and the resulting corresponding digital signal value. For example, these non-linearities can be be differential and/or integral non-linearities.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit zu schaffen, derartige Nicht-Linearitäten zu kompensieren oder zumindest zu minimieren. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, ein analoges Eingangssignal nacheinander mit mehreren unterschiedlichen Offsets zu beaufschlagen und dann eine Analog-zu-Digital-Wandlung des analogen Eingangssignals mit dem jeweiligen Offset durchzuführen. Nach der Analog-zu-Digital-Wandlung kann der resultierende digitale Signalwert entsprechend dem jeweils beaufschlagten Offset korrigiert werden. Durch die Verwendung unterschiedlich hoher Offsets mit denen das analoge Eingangssignal beaufschlagt wurde, liegt am Eingang des A/D-Wandlers jeweils ein unterschiedliches hohes Eingangssignal an. Entsprechend haben die bei der Analog-zu-Digital-Wandlung auftretenden Nicht-Linearitäten jeweils einen geringfügig unterschiedlichen Einfluss. Durch die anschließende Mittelwertbildung der um den Offset kompensierten digitalen Signalwerte können daraufhin die unterschiedlichen Einflüsse der Nicht-Linearitäten ebenfalls gemittelt werden. Hierdurch können die Abweichungen aufgrund der Nicht-Linearitäten verringert oder bestenfalls vollständig kompensiert werden.It is therefore an idea of the present invention to take this knowledge into account and create a possibility of compensating for such non-linearities or at least minimizing them. For this purpose, it is provided according to the invention to apply several different offsets to an analog input signal one after the other and then to carry out an analog-to-digital conversion of the analog input signal with the respective offset. After the analog-to-digital conversion, the resulting digital signal value can be corrected according to the offset applied in each case. Due to the use of offsets of different magnitudes applied to the analog input signal, a different input signal is present at the input of the A/D converter. Accordingly, the non-linearities that occur during analog-to-digital conversion each have a slightly different influence. The different influences of the non-linearities can then also be averaged by the subsequent averaging of the digital signal values compensated by the offset. As a result, the deviations due to the non-linearities can be reduced or, at best, completely compensated for.

Die einzelnen Komponenten der Vorrichtung zur Konvertierung des analogen Eingangssignals in einen digitalen Signalwert können beispielsweise als separate Komponenten oder Bauelemente implementiert werden. Beispielsweise kann einem diskreten A/D-Wandler ein Summierglied vorgeschaltet werden, welches das analoge Eingangssignal mit einem weiteren analogen Signal für den Offset kombiniert. Das analoge Signal für den Offset kann dabei von einer beliebigen geeigneten Komponente, wie zum Beispiel einer steuerbaren Spannungsquelle oder ähnlichem bereitgestellt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, mehrere oder gegebenenfalls alle der zuvor genannten Komponenten, wie Generator für den Offset, Summierglied und A/D-Wandler in einer gemeinsamen Baugruppe zu implementieren. Auch eine Kombination der zuvor genannten Bauelemente mit einer weiteren digitalen Verarbeitungskomponente für die Verarbeitungseinrichtung in einer gemeinsamen Baugruppe, beispielsweise einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis oder ähnlichem, ist möglich.The individual components of the device for converting the analog input signal into a digital signal value can be implemented as separate components or structural elements, for example. For example, a summing element can be connected upstream of a discrete A/D converter, which combines the analog input signal with a further analog signal for the offset. The analog signal for the offset can be provided by any suitable component, such as a controllable voltage source or the like. In addition, it is also possible to implement several or possibly all of the previously mentioned components, such as a generator for the offset, a summing element and an A/D converter, in a common assembly. A combination of the aforementioned components with a further digital processing component for the processing device in a common assembly, for example an application-specific integrated circuit or the like, is possible.

Gemäß einer Ausführungsform ist der A/D-Wandler dazu ausgelegt, das analoge Signal mit einer vorbestimmten Auflösung in den digitalen Signalwert zu konvertieren. Die Verarbeitungseinrichtung kann hierbei dazu ausgelegt sein, unterschiedliche Offsets in Abhängigkeit der Auflösung des A/D-Wandlers einzustellen. Liefert der A/D-Wandler beispielsweise digitale Signalwerte in einem Bereich von mehreren Bytes, so können verschiedene Offsets gewählt werden, welche jeweils eine Veränderung des digitalen Signalwerts beispielsweise nur im niederwertigen Byte des Ausgabewortes bewirken. Aber auch eine Variation des Offsets in anderen Bereichen ist grundsätzlich möglich. Beispielsweise können auch mehrere Offsets eingestellt werden, welche nur eine Variation des digitalen Signalwerts in einer vorbestimmten Anzahl von Bits eines digitalen Signalwertes bewirken.According to one embodiment, the A/D converter is designed to convert the analog signal into the digital signal value with a predetermined resolution. In this case, the processing device can be designed to set different offsets depending on the resolution of the A/D converter. If, for example, the A/D converter supplies digital signal values in a range of several bytes, then different offsets can be selected which each cause a change in the digital signal value, for example only in the low-order byte of the output word. In principle, however, a variation of the offset in other areas is also possible. For example, several offsets can also be set, which only bring about a variation in the digital signal value in a predetermined number of bits of a digital signal value.

Gemäß einer Ausführungsform können der A/D-Wandler und die Verarbeitungseinrichtung in einem gemeinsamen Halbleiterbauelement angeordnet sein. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, die Vorrichtung zur Konvertierung des analogen Eingangssignals in einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (Englisch: Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) zu implementieren. Beispielsweise können Baugruppen, insbesondere Bauelemente, verwendet werden, welche bereits in ihrer Grundform einen A/D-Wandler umfassen, der auch Elemente zum Beaufschlagen mit einem einstellbaren Offsets umfasst. Auf diese Weise kann die mehrfache A/D-Wandlung mit verschiedenen Offsets und die Mittelwertbildung in einer derartigen Baugruppe realisiert werden, ohne dass zusätzliche Hardware-Komponenten erforderlich sind.According to one embodiment, the A/D converter and the processing device can be arranged in a common semiconductor component. In particular, it is possible, for example, to implement the device for converting the analog input signal in an application-specific integrated circuit (ASIC). For example, assemblies, in particular components, can be used which already include an A/D converter in their basic form, which also includes elements for applying an adjustable offset. In this way, the multiple A/D conversion with different offsets and the averaging can be implemented in such an assembly without the need for additional hardware components.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Konvertierung des analogen Eingangssignals eine Speichereinrichtung. Die Speichereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, für jedes Offset der unterschiedlichen Offsets eine separate Kalibrierkennlinie bereitzustellen. In diesem Fall kann die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt sein, die von dem A/D-Wandler ermittelten digitalen Signalwerte unter Verwendung der jeweils korrespondierenden Kalibrierkennlinie anzupassen. Durch die Verwendung separater Kalibrierkennlinien für die unterschiedlichen Offsets ist es jeweils möglich, eine möglichst präzise A/D-Wandlung durchzuführen, selbst wenn das am Eingang des A/D-Wandlers anliegende analoge Signal variiert und gegebenenfalls außerhalb des optimalen Eingangsniveau für den A/D-Wandler befindet.According to one embodiment, the device for converting the analog input signal includes a memory device. The memory device can be designed to provide a separate calibration characteristic for each offset of the different offsets. In this case, the processing device can be designed to adapt the digital signal values determined by the A/D converter using the respectively corresponding calibration characteristic. By using separate calibration characteristics for the different offsets, it is possible to carry out the most precise A/D conversion possible, even if the analog signal present at the input of the A/D converter varies and may be outside of the optimum input level for the A/D -converter is located.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, nacheinander mindestens drei verschiedene Offsets einzustellen. Darüber hinaus ist es auch grundsätzlich möglich, beispielsweise mehr als drei, zum Beispiel vier, fünf, sechs, acht oder mehr verschiedene Offsets anzuwenden. Mit zunehmender Anzahl der unterschiedlichen Offsets und der nachgeschalteten Mittelwertbildung können die in dem A/D-Wandler auftretenden Nicht-Linearitäten besonders gut kompensiert werden. Hierzu muss das Eingangssignal jedoch entsprechend oft abgetastet werden, was somit auch bedingt, dass das analoge Eingangssignal entsprechend lange möglichst konstant am Eingang bereitgestellt werden muss.According to one embodiment, the processing device is designed to set at least three different offsets one after the other. In addition, it is also fundamentally possible to use, for example, more than three, for example four, five, six, eight or more different offsets. With an increasing number of different offsets and the downstream averaging, the non-linearities occurring in the A/D converter can be compensated particularly well. To do this, however, the input signal must be sampled as often as required This also means that the analog input signal must be provided at the input as constantly as possible for as long as possible.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.The above configurations and developments can be combined with one another as desired, insofar as this makes sense. Further refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.

Figurenlistecharacter list

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubildes für eine Sensorvorrichtung mit einer Vorrichtung zur Konvertierung eines analogen Eingangssignals gemäß einer Ausführungsform;
2: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds einer Vorrichtung zur Konvertierung eines analogen Eingangssignals gemäß einer Ausführungsform; und
3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Konvertierung eines analogen Eingangssignals gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Further features and advantages of the invention are explained below with reference to the figures. show:

1 1: a schematic representation of a block diagram for a sensor device with a device for converting an analog input signal according to an embodiment;
2 1: a schematic representation of a block diagram of a device for converting an analog input signal according to an embodiment; and
3 FIG. 1: a flowchart on how a method for converting an analog input signal is based according to an embodiment.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement 2 sowie eine Vorrichtung 1 zur Konvertierung eines analogen Sensorsignals in einen digitalen Signalwert. 1 FIG. 12 shows a schematic representation of a block diagram of a sensor device according to an embodiment. The sensor device comprises at least one sensor element 2 and a device 1 for converting an analog sensor signal into a digital signal value.

Bei dem Sensorelement 1 kann es sich um ein beliebiges Sensorelement handeln, welches ein zu einer Sensorgröße korrespondierendes analoges Ausgangssignal liefert. Beispielsweise kann das Sensorelement 2 ein mikroelektromechanisches Sensorelement (MEMS) umfassen. Darüber hinaus sind jedoch auch beliebige andere Sensorelemente möglich. Das Sensorelement 2 kann beispielsweise eine Temperatur, einen Druck, eine Beschleunigung, eine Helligkeit, eine Feuchtigkeit oder eine beliebige andere Umweltgröße erfassen. Als Ausgangssignal kann beispielsweise eine zu der Sensorgröße korrespondierende elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom an einem Ausgangsanschluss des Sensorelements 2 bereitgestellt werden.The sensor element 1 can be any sensor element that supplies an analog output signal that corresponds to a sensor variable. For example, the sensor element 2 can comprise a microelectromechanical sensor element (MEMS). In addition, however, any other sensor elements are also possible. The sensor element 2 can, for example, detect a temperature, a pressure, an acceleration, a brightness, a moisture content or any other variable in the environment. For example, an electrical voltage corresponding to the sensor variable or an electrical current can be provided as an output signal at an output connection of the sensor element 2 .

Das von dem Sensorelement 2 bereitgestellte analoge Ausgangssignal kann mittels der Vorrichtung 1 zur Konvertierung eines analogen Signals in einen digitalen Signalwert konvertiert werden. Der von der Vorrichtung 1 bereitgestellte Digitalsignalwert kann daraufhin von einer beliebigen digitalen Signalverarbeitungseinrichtung in geeigneter Weise weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann der digitale Signalwert an einer digitalen Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt werden, welche den digitalen Signalwert über eine kabellose oder kabelgebundene Verbindung an einen Empfänger zur Weiterverarbeitung überträgt.The analog output signal provided by the sensor element 2 can be converted into a digital signal value by means of the device 1 for converting an analog signal. The digital signal value provided by the device 1 can then be further processed in a suitable manner by any desired digital signal processing device. For example, the digital signal value can be provided at a digital communication interface, which transmits the digital signal value via a wireless or wired connection to a receiver for further processing.

Für die Konvertierung des analogen Signals von dem Sensorelement 2 in einen korrespondierenden digitalen Signalwert umfasst die Vorrichtung 1 einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 10. Bei der Konvertierung des analogen Signals in einen digitalen Signalwert können dabei insbesondere differentielle und/oder integrale Nicht-Linearitäten auftreten, so dass in der Realität zumindest geringfügige Abweichungen oder Schwankungen in dem digitalen Signalwert bezüglich des entsprechenden analogen Eingangssignals auftreten können. Um derartige Nicht-Linearitäten und gegebenenfalls auch weitere Effekte zu kompensieren oder zumindest zu minimieren, werden in der Vorrichtung 1 zur Konvertierung des analogen Signals mehrere A/D-Wandlungen ausgeführt, wobei das analoge Eingangssignal während den mehreren A/D-Wandlungen jeweils mit einem unterschiedlichen Offset beaufschlagt wird. Nach der A/D-Wandlung wird der digitale Signalwert von dem A/D-Wandler entsprechend dem beaufschlagten Offset korrigiert. Daraufhin wird aus den mehreren digitalen Signalwerten ein Mittelwert gebildet. Die Mittelwertbildung kann beispielsweise durch Summation einer vorbestimmten Anzahl von digitalen Signalwerten und anschließender Division durch die entsprechende Anzahl der digitalen Signalwerte auf einfache Weise bestimmt werden.For the conversion of the analog signal from the sensor element 2 into a corresponding digital signal value, the device 1 comprises an analog-to-digital converter (A/D converter) 10. When converting the analog signal into a digital signal value, in particular differential and/or or integral non-linearities occur, so that in reality at least slight deviations or fluctuations in the digital signal value can occur with respect to the corresponding analog input signal. In order to compensate for such non-linearities and possibly also other effects, or at least to minimize them, a number of A/D conversions are carried out in the device 1 for converting the analog signal, with the analog input signal during the number of A/D conversions each having a different offset is applied. After the A/D conversion, the digital signal value is corrected by the A/D converter according to the applied offset. An average value is then formed from the multiple digital signal values. The averaging can be determined in a simple manner, for example, by summing up a predetermined number of digital signal values and then dividing by the corresponding number of digital signal values.

Beispielsweise kann in der Vorrichtung 1 zur Konvertierung des analogen Signals ein A/D-Wandler 10 vorgesehen sein, welcher zunächst das Eingangssignal von dem Sensorelement 2 mit einem Offset beaufschlagt und anschließend eine A/D-Wandlung der Summe aus Offset und analogem Sensorsignal ausführt. Der so von dem A/D-Wandler 10 ermittelte digitale Wert, der zu der Summe aus analogem Signal und Offset korrespondiert, kann daraufhin einer Verarbeitungseinrichtung 20 zugeführt werden. Diese Verarbeitungseinrichtung 20 kann zunächst den von dem A/D-Wandler 10 bereitgestellten Digitalsignalwert entsprechend dem beaufschlagten Offset korrigieren, das heißt einen digitalen Wert subtrahieren, welcher dem beaufschlagten Offset entspricht. Der so ermittelte korrigierte digitale Signalwert kann zunächst in einem Speicher der Verarbeitungseinrichtung 20 abgespeichert werden.For example, an A/D converter 10 can be provided in device 1 for converting the analog signal, which first applies an offset to the input signal from sensor element 2 and then performs an A/D conversion of the sum of offset and analog sensor signal. The digital value thus determined by the A/D converter 10, which corresponds to the sum of the analog signal and the offset, can then be fed to a processing device 20. This processing device 20 can first correct the digital signal value provided by the A/D converter 10 in accordance with the applied offset, that is to say subtract a digital value which the applied offset beat offset corresponds. The corrected digital signal value determined in this way can first be stored in a memory of the processing device 20 .

Das beschriebene Beaufschlagen des analogen Eingangssignals mit einem Offset, die A/D-Wandlung und die anschließende Korrektur des resultierenden digitalen Signalwerts kann mit mehreren unterschiedlichen Offset-Werten wiederholt werden. Beispielsweise kann die Verarbeitungseinrichtung 20 die Höhe des jeweils zu verwendenden Offsets vorgeben. Nachdem auf diese Weise in der Verarbeitungseinrichtung 20 mehrere digitale Signalwerte empfangen worden sind, die jeweils um das beaufschlagte Offset korrigiert wurden, und die korrigierten Werte für mehrere Offsets in der Verarbeitungseinrichtung 20 gespeichert worden sind, kann die Verarbeitungseinrichtung 20 aus den gespeicherten korrigierten digitalen Werten einen Mittelwert bilden. Der ermittelte Mittelwert kann daraufhin beispielsweise an einer Ausgangsschnittstelle der Verarbeitungseinrichtung 20 bereitgestellt werden.The described application of an offset to the analog input signal, the A/D conversion and the subsequent correction of the resulting digital signal value can be repeated with several different offset values. For example, the processing device 20 can specify the amount of the offset to be used in each case. After a plurality of digital signal values have been received in this way in the processing device 20, which have each been corrected by the applied offset, and the corrected values for a plurality of offsets have been stored in the processing device 20, the processing device 20 can use the stored corrected digital values to generate a average. The mean value determined can then be made available, for example, at an output interface of the processing device 20 .

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds einer Vorrichtung 1 zur Konvertierung eines analogen Ausgangssignals in einen digitalen Signalwert. Hierbei gelten alle zuvor im Zusammenhang mit 1 gemachten Ausführungen der Vorrichtung 1 ebenfalls für die nachfolgend beschriebene Vorrichtung 1, und analog gelten alle nachfolgend beschriebenen Ausführungen ebenfalls für die Vorrichtung 1 gemäß 1. 2 shows a schematic representation of a block diagram of a device 1 for converting an analog output signal into a digital signal value. All of the above in connection with apply here 1 The explanations given for the device 1 also apply to the device 1 described below, and analogously all the explanations described below also apply to the device 1 according to FIG 1 .

An einem Eingang der Vorrichtung 1 kann, wie oben bereits beschrieben, ein analoges Eingangssignal A bereitgestellt werden. Da das analoge Eingangssignal A mehrfach in einen digitalen Signalwert konvertiert werden soll, kann das analoge Eingangssignal A beispielsweise mittels eines geeigneten Elements 15 „gespeichert“ werden. Beispielsweise kann hierzu ein geeignetes Sample-and-Hold-Element oder ähnliches verwendet werden. Auf diese Weise kann am Ausgang des Elements 15 dauerhaft ein analoges Signal bereitgestellt werden, selbst wenn sich im weiteren Verlauf das analoge Signal A am Eingang ändern würde.As already described above, an analog input signal A can be provided at an input of the device 1 . Since the analog input signal A is to be converted multiple times into a digital signal value, the analog input signal A can be “stored” using a suitable element 15, for example. For example, a suitable sample-and-hold element or the like can be used for this purpose. In this way, an analog signal can be permanently provided at the output of the element 15, even if the analog signal A at the input were to change in the further course.

Das gegebenenfalls gespeicherte analoge Signal A wird im weiteren Verlauf mit einem Offset O kombiniert. Dieser Offset O kann beispielsweise von einem entsprechenden geeigneten Offset-Generator 13 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Offset-Generator 13 um eine steuerbare Spannungsquelle handeln, welche eine Ausgangsspannung mit einer vorgebbaren Spannungshöhe bereitstellen kann.The analog signal A that may have been stored is combined with an offset O in the further course. This offset O can be provided by a corresponding, suitable offset generator 13, for example. For example, the offset generator 13 can be a controllable voltage source which can provide an output voltage with a predeterminable voltage level.

Das analoge Eingangssignal A und der Offset O können beispielsweise in einem Summierglied 12 oder ähnliches miteinander kombiniert werden. Die Summe aus analogem Eingangssignal A und Offset O kann daraufhin an einem A/D-Wandler 11 bereitgestellt werden. Der A/D-Wandler 11 wandelt ein am Eingang anliegendes analoges Signal in einen korrespondierenden digitalen Wert. Entsprechend liefert der A/D-Wandler 11 einen digitalen Signalwert, welcher der Summe aus analogem Eingangssignal A und Offset O entspricht. Dieser digitale Signalwert vom A/D-Wandler 11 kann daraufhin einer Korrektureinrichtung 22 zugeführt werden, welche den vom A/D-Wandler bereitgestellten digitalen Signalwert entsprechend dem Wert des Offsets O korrigiert. Hierzu kann die Korrektureinrichtung 22 beispielsweise von dem vom A/D-Wandler bereitgestellten digitalen Signalwert einen digitalen Wert subtrahieren, welcher in der Größe dem Wert des Offsets O entspricht. Somit stellt die Korrektureinrichtung 22 am Ausgang einen digitalen Wert bereit, welcher dem Wert des analogen Eingangssignals A entspricht. Dieser Wert kann daraufhin einer Speichereinrichtung 24 bereitgestellt werden, welche den Wert von der Korrektureinrichtung 22 zunächst abspeichert.The analog input signal A and the offset O can be combined with one another, for example, in a summing element 12 or the like. The sum of analog input signal A and offset O can then be made available to an A/D converter 11 . The A/D converter 11 converts an analog signal present at the input into a corresponding digital value. Accordingly, the A/D converter 11 supplies a digital signal value which corresponds to the sum of the analog input signal A and the offset O. This digital signal value from the A/D converter 11 can then be fed to a correction device 22 which corrects the digital signal value provided by the A/D converter according to the value of the offset O. For this purpose, the correction device 22 can, for example, subtract a digital value from the digital signal value provided by the A/D converter, the size of which corresponds to the value of the offset O. The correction device 22 thus provides a digital value at the output which corresponds to the value of the analog input signal A. This value can then be made available to a storage device 24 which initially stores the value from the correction device 22 .

Die einzelnen Operationen, wie das Einstellen des Offset-Generators 13, das Bereitstellen der erforderlichen Parameter für die Korrektureinrichtung 22, sowie das Abspeichern des korrigierten digitalen Werts in der Speichereinrichtung 23 und die zeitliche Synchronisation für den A/D-Wandler 11 können beispielsweise von einer Steuereinrichtung 21 gesteuert werden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 21 nacheinander mehrere unterschiedliche Werte für den Offset O vorgeben. Auf diese Weise können nacheinander mehrere A/D-Wandlungen für das analoge Eingangssignal A mit unterschiedlichen Offsets O durchgeführt werden, wobei anschließend durch die Korrektureinrichtung 22 jeweils ein digitaler Wert ermittelt wird, der zu dem analogen Eingangssignal A korrespondiert. Aufgrund von Störeffekten, wie beispielsweise Nicht-Linearitäten während der Analog-zu-Digital-Wandlung können die einzelnen Werte jedoch geringfügig voneinander abweichen. Um diese Abweichungen zu kompensieren, kann aus den mehreren in der Speichereinrichtung 23 abgespeicherten digitalen Werten ein Mittelwert gebildet werden. Beispielsweise kann dieser Mittelwert in einer Recheneinrichtung 24 berechnet werden. Hierzu können beispielsweise mehrere digitale Werte aufsummiert werden und anschließend die Summe durch die Anzahl der Einzelwerte geteilt werden. Der so gewonnene Mittelwert kann als digitaler Wert D am Ausgang der Vorrichtung 1 bereitgestellt werden.The individual operations, such as setting the offset generator 13, providing the required parameters for the correction device 22, and storing the corrected digital value in the storage device 23 and the time synchronization for the A/D converter 11 can, for example, be carried out by a Control device 21 are controlled. In particular, the control device 21 can specify several different values for the offset O one after the other. In this way, several A/D conversions can be carried out one after the other for the analog input signal A with different offsets O, with a digital value corresponding to the analog input signal A then being determined in each case by the correction device 22 . However, due to interfering effects such as non-linearities during the analog-to-digital conversion, the individual values may deviate slightly from one another. In order to compensate for these deviations, an average can be formed from the plurality of digital values stored in the storage device 23 . For example, this mean value can be calculated in a computing device 24 . For this purpose, for example, several digital values can be summed up and then the sum can be divided by the number of individual values. The mean value obtained in this way can be made available as a digital value D at the output of the device 1 .

Gegebenenfalls ist es auch möglich, eine Kalibrierung der Vorrichtung 1 auszuführen. Hierzu können insbesondere separate Kalibrierwerte für die unterschiedlichen Werte des Offsets O ermittelt werden. Beispielsweise können die anzuwendenden Werte für den Offset O zuvor festgelegt werden. Entsprechend kann für jeden festgelegten Wert des Offsets O eine individuelle Kalibrierung ausgeführt werden, so dass für jeden anzuwendenden Offset-Wert O individuelle Kalibrierdaten ermittelt werden. Die ermittelten Kalibrierdaten können beispielsweise in der Steuereinrichtung 21 oder auch gegebenenfalls einem weiteren geeigneten Speicher abgelegt werden. Beispielsweise ist es möglich, für jede Vorrichtung 1 am Ende eines Produktionszyklusses jeweils geeignete Kalibrierwerte zu ermitteln und diese in einem geeigneten Speicher, insbesondere einem nicht-flüchtigen Speicher der Vorrichtung 1 abzulegen.If necessary, it is also possible to calibrate the device 1 . For this In particular, separate calibration values for the different values of the offset O can be determined. For example, the values to be used for the offset O can be predetermined. Accordingly, an individual calibration can be carried out for each specified value of the offset O, so that individual calibration data are determined for each offset value O to be used. The calibration data determined can be stored, for example, in the control device 21 or, if appropriate, in another suitable memory. For example, it is possible to determine suitable calibration values for each device 1 at the end of a production cycle and to store these in a suitable memory, in particular a non-volatile memory of the device 1 .

Für die beschriebene Mittelung der digitalen Signalwerte aus Analog-Digital-Wandlungen mit unterschiedlichen Offsets sind mindestens zwei analoge Digitalwandlungen mit verschiedenen Offsets erforderlich. Jedoch kann durch eine höhere Anzahl von unterschiedlichen Offsets, beispielsweise drei, vier, fünf, acht, etc. die Genauigkeit gegebenenfalls weiter gesteigert werden. Hierzu ist jedoch auch ein größerer Aufwand für mehrere Analog-Digital-Wandlungen sowie die nachfolgende Speicherung und Mittelwertbildung erforderlich.At least two analog-to-digital conversions with different offsets are required for the described averaging of the digital signal values from analog-to-digital conversions with different offsets. However, a higher number of different offsets, for example three, four, five, eight, etc., can optionally further increase the accuracy. However, this also requires a greater effort for several analog-to-digital conversions and the subsequent storage and averaging.

Bei der Wahl des Offsets kann beispielsweise auch die Auflösung oder gegebenenfalls weitere Parameter des A/D-Wandlers 11 berücksichtigt werden. Beispielsweise können die unterschiedlichen Offsets derart gewählt werden, dass der Offset jeweils nur einen Einfluss auf eine vorbestimmte Anzahl von Bits in dem vom A/D-Wandler 11 ausgegebenen digitalen Wert hat. Beispielsweise kann der Offset so gewählt werden, dass er nur Einfluss auf die vier niederwertigsten Bits der Digitaldaten hat. Aber auch ein Offset, der gegebenenfalls Einfluss auf ein Byte, das heißt 8 Bits, in dem ausgegebenen digitalen Wert hat, ist möglich.When choosing the offset, for example, the resolution or possibly other parameters of the A/D converter 11 can also be taken into account. For example, the different offsets can be selected in such a way that the offset only has an influence on a predetermined number of bits in the digital value output by the A/D converter 11 . For example, the offset can be selected in such a way that it only affects the four least significant bits of the digital data. However, an offset that may have an influence on a byte, ie 8 bits, in the output digital value is also possible.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung 1 für die Konvertierung eines analogen Signals kann durch beliebige geeignete diskrete Bauelemente bzw. Komponenten realisiert werden. Darüber hinaus kann es sich jedoch auch ganz oder zumindest teilweise als gemeinsame Baugruppe realisiert werden. Insbesondere ist auch beispielsweise eine Implementierung aller Komponenten in einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis, beispielsweise einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) möglich. Da bereits anwendungsspezifische Schaltkreise mit A/D-Wandler existieren, welche in der Lage sind, das Eingangssignal mit einem vorgegebenen Offset zu beaufschlagen, kann durch entsprechende Programmierung derartiger Schaltkreise auf einfache Weise eine Minimierung bzw. Kompensation von Nicht-Linearitäten im A/D-Wandler erzielt werden, ohne dass hierzu aufwändige zusätzliche Hardware-Komponenten erforderlich wären.The device 1 described above for the conversion of an analog signal can be implemented by any suitable discrete components. In addition, however, it can also be implemented entirely or at least partially as a common assembly. In particular, it is also possible, for example, to implement all the components in a common integrated circuit, for example an application-specific integrated circuit (ASIC). Since application-specific circuits with A/D converters already exist which are able to apply a predetermined offset to the input signal, appropriate programming of such circuits can easily minimize or compensate for non-linearities in the A/D Converter can be achieved without this expensive additional hardware components would be required.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Konvertierung eines analogen Eingangssignals in einen digitalen Signalwert zugrunde liegt. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Schritte umfassen, wie sie zuvor bereits im Zusammenhang mit der Vorrichtung 1 beschrieben worden sind. Analog können auch die zuvor beschriebenen Vorrichtungen 1 beliebige geeignete Komponenten aufweisen, die zur Implementierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sind. 3 shows a schematic representation of a flowchart on which a method for converting an analog input signal into a digital signal value is based. In principle, the method can include any steps as have already been described above in connection with the device 1 . Analogously, the devices 1 described above can also have any suitable components that are required to implement the method described below.

In Schritt S1 wird zunächst ein analoges Eingangssignal A empfangen. Anschließend kann das empfangene Eingangssignal mit einem analogen Offset O kombiniert werden. In Schritt S3 kann die Kombination aus analogem Eingangssignal A und vorgegebenen Offset O in einen korrespondierenden digitalen Signalwert konvertiert werden.In step S1, an analog input signal A is first received. The received input signal can then be combined with an analog offset O. In step S3, the combination of analog input signal A and specified offset O can be converted into a corresponding digital signal value.

Der so ermittelte digitale Signalwert kann in Schritt S4 entsprechend dem vorgegebenen Offset kompensiert werden. Die Kombination des analogen Eingangssignals A mit einem vorbestimmten Offset, die nachfolgende A/D-Wandlung und Kompensation des digitalen Signalwerts können insbesondere für mehrere unterschiedliche Offsets nacheinander durchgeführt werden.The digital signal value determined in this way can be compensated in step S4 according to the specified offset. The combination of the analog input signal A with a predetermined offset, the subsequent A/D conversion and compensation of the digital signal value can be carried out in succession, in particular for a number of different offsets.

Abschließend kann aus den kompensierten digitalen Signalwerten in Schritt S6 ein Mittelwert berechnet werden.Finally, a mean value can be calculated from the compensated digital signal values in step S6.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Kompensation von Nicht-Linearitäten in einem A/D-Wandler. Hierzu wird ein analoges Eingangssignal nacheinander mit mehreren unterschiedlichen Offsets beaufschlagt und eine A/D-Wandlung mit den verschiedenen Offsets durchgeführt. Nach Kompensation der digitalen Ausgabewerte des A/D-Wandlers entsprechend dem jeweiligen Offset kann aus den mehreren digitalen Werten ein Mittelwert gebildet werden.In summary, the present invention relates to compensation for non-linearities in an A/D converter. For this purpose, an analog input signal is successively applied with several different offsets and an A/D conversion is carried out with the different offsets. After the digital output values of the A/D converter have been compensated according to the respective offset, an average value can be formed from the plurality of digital values.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 2007056732 A1 [0003]

Claims

Device (1) for converting an analog input signal (A) into a digital signal value (D), with: an analog-to-digital converter (10) designed to receive an analog input signal (A), to combine the received input signal (A) with a predetermined offset (O), the combination of analog input signal (A) and to convert a predetermined offset (O) into a corresponding digital signal value; and a processing device (20) which is designed to successively set a number of different predefined offsets (O) on the analog-to-digital converter (10), in each case a resulting digital signal value from the analog-to-digital converter (10) to receive, to compensate the resulting digital signal value received using the offset (O) set in each case and to calculate an average value of the compensated digital signal values.

Device (1) after claim 1 , wherein the analog-to-digital converter (10) is designed to convert an analog signal with a predetermined resolution into a digital signal value, and wherein the processing device (20) is designed to calculate the different offsets (O) as a function set the resolution of the analog-to-digital converter (10).

Device (1) after claim 1 or 2 , wherein the analog-to-digital converter (10) and the processing device (20) are arranged in a common semiconductor component.

Device according to one of Claims 1 until 3 , With a storage device which is designed to provide a separate calibration characteristic for each offset (O) of the different offsets, and wherein the processing device (20) is designed to use the digital determined by the analog-to-digital converter (10). Adjust signal values using the corresponding calibration characteristics.

Device according to one of Claims 1 until 4 , wherein the processing device (20) is designed to successively set at least three different offsets (O).

Sensor device, having: a sensor element (2), which is designed to provide an analog sensor signal corresponding to a sensor variable, and a device (1) for converting the analog sensor signal according to one of Claims 1 until 5 .

Method for converting an analog input signal (A) into a digital signal value (D), comprising the steps: receiving (S1) an analog input signal (A); Combining (S2) the received input signal (A) with a predetermined offset (O); converting (S3) the combination of analog input signal (A) and predetermined offset (O) into a corresponding digital signal value; and Compensating (S4) the digital signal value corresponding to the predetermined offset (O); wherein the analog input signal (A) is successively combined with a plurality of different predetermined offsets (O) and the digital signal values are each compensated according to the respective offset (O); and wherein the method further comprises the following step: calculating (S5) an average of the compensated digital signal values.