DE112008000645T5 - Minimierung von Offset-Fehler in einem Analog-Digital-Wandler - Google Patents

Minimierung von Offset-Fehler in einem Analog-Digital-Wandler Download PDF

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Abstract

Verfahren, das bei einem Analog-Digital-Wandler eingesetzt wird und das umfasst:
Durchführen einer ersten Umwandlung eines Eingangssignals, bei der ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert wird, um ein erstes Ergebnis zu schaffen;
Durchführen einer zweiten Umwandlung des Eingangssignals, bei der ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu schaffen, und
Kombinieren des ersten und des zweiten Ergebnisses, um den Offset-Fehler des Analog-Digital-Wandlers im Wesentlichen zu beseitigen.

Description

  • Beanspruchung der Priorität
  • Der Vorteil der Priorität wird hiermit gegenüber der US-Patentanmeldung Nr. 11/684,572, eingereicht am 9. März 2007 unter dem Titel „METHOD AND SYSTEM FOR MINIMIZING THE ACCUMULATED OFFSET ERROR FOR AN ANALOG TO DIGITAL CONVERTER”, beansprucht, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Verweis einbezogen wird.
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen integrierte Schaltungen und insbesondere einen Stromerfassungs-Analog-Digital-Wandler, der in derartigen Schaltungen eingesetzt wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Analog-Digital-Wandler weisen einen bestimmten Offset-Fehler auf. Der Offset-Fehler ist die Differenz zwischen der gemessenen und der idealen Spannung an dem analogen Eingang, die den Mittelcode (midscale code) an den Ausgängen erzeugt. Es gibt bekannte Methoden zum Minimieren des Offset-Fehlers, so beispielsweise symmetrisches Design und Auslegung sowie automatische Methoden zum Kompensieren des Offset-Fehlers. Selbst wenn derartige Verfahren eingesetzt werden, weist das Design einen bestimmten Offset-Fehler auf. Daher kann ein sorgfältig ausgeführter differenzialer Analog-Digital-Wandler, der in CMOS implementiert ist, einen temperaturabhängigen Offset-Fehler von ungefähr 100 μV haben. Bei bestimmten Einsatzzwecken werden die Ergebnisse des Analog-Digital-Wandlers mit der Zeit akkumuliert. In diesem Fall akkumuliert sich der Offset-Fehler, wodurch ein erheblicher Fehler entsteht, insbesondere, wenn die Eingangspegel an dem Analog-Digital-Wandler über lange Zeiträume sehr niedrig sind.
  • Mit existierenden Verfahren zur automatischen Unterdrückung des Offset-Fehlers wird der Offset-Fehler bei jeder Abtastung kompensiert, indem beispielsweise zuerst der Offset-Fehler in einem Abtastkondensator akkumuliert wird und dann der Signalpegel jedes Ergebnisses so abgetastet wird, dass der Offset-Fehler subtrahiert wird. Es ist jedoch bekannt, dass dieses Verfahren zur Unterdrückung des Offset-Fehlers ungenau sein kann, wenn der Analog-Digital-Wandler über einen langen Zeitraum eingesetzt wird, da sich der Offset-Fehler akkumulieren kann. Dies ist normalerweise der Fall bei der Laufzeitanzeige von Batteriesystemen. Erforderlich ist ein effektiveres Verfahren zum Reduzieren von Offset-Fehler in Analog-Digital-Wandlern. Das System sollte kosteneffektiv, einfach zu implementieren und bei vorhandenen Systemen einsetzbar sein.
  • Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses Erfordernis.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Offenbart werden ein Verfahren und ein System, die bei einem Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden. Das Verfahren und das System umfassen Durchführen einer ersten Umwandlung eines Eingangssignals. Bei der ersten Umwandlung wird ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert, um ein erstes Ergebnis zu schaffen. Das Verfahren und das System schließen des Weiteren Durchführen einer zweiten Umwandlung des Eingangssignals ein. Bei der zweiten Umwandlung wird ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert, um ein zweites Ergebnis zu schaffen. Das erste und das zweite Ergebnis werden kann kombiniert, um den Offset-Fehler im Wesentlichen zu beseitigen.
  • Mit einem System und einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird der akkumulierte Offset-Fehler über viele Abtastwerte kompensiert, so dass eine weitaus höhere Genauigkeit bei der Kompensation des Offset-Fehlers erreicht wird. Bei einer Implementierung in CMOS konnte mit den existierenden Verfahren für automatische Unterdrückung des Offset-Fehlers ein Offset-Fehlerpegel von ungefähr 100 μV erzielt werden, während mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung der akkumulierte Offset-Fehler auf ungefähr 1 μV reduziert werden konnte.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt das Blockschaltbild eines Stromerfassungs-Analog-Digital-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das die Reduzierung des akkumulierten Offset-Fehlers in einem Analog-Digital-Wandler auf einen sehr niedrigen Wert gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 3 zeigt einen Umpolungsschalter gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist ein Blockschaltbild eines Systems, bei dem der Analog-Digital-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Softwareprogramm darstellt, mit dem der Umpolungsschalter gesteuert wird.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen integrierte Schaltungen und insbesondere einen Stromerfassungs-Analog-Digital-Wandler, der in derartigen Schaltungen eingesetzt wird. Mit der folgenden Beschreibung soll der Fachmann in die Lage versetzt werden, die Erfindung auszuführen und einzusetzen, und sie steht im Kontext einer Patentanmeldung und der entsprechenden Anforderungen. Verschiedene Abwandlungen an den bevorzugten Ausführungsformen und den allgemeinen Prinzipien und Merkmalen, wie sie hier beschrieben sind, liegen für den Fachmann auf der Hand. Daher ist nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf die dargestellten Ausführungsformen zu beschränken, sondern sie soll den größtmöglichen Schutzumfang gemäß den hier beschriebenen Prinzipien und Merkmalen erhalten.
  • Übersicht über den Stromerfassungs-Analog-Digital-Wandler
  • 1 zeigt das Blockschaltbild eines Stromerfassungs-Analog-Digital-Wandlers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Analog-Digital-Wandler 100 weist viele der Merkmale auf, die in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 11/467,502 unter dem Titel „”Current sensing analog to digital converter and method of use” beschrieben sind, welche dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung abgetreten wurde und hiermit in ihrer Gesamtheit einbezogen wird.
  • Der Analog-Digital-Wandler 100 dient dazu, den Lade- oder Entladestrom abzutasten, der durch einen externen Erfassungswiderstand RSENSE 102 fließt. Der Analog-Digital-Wandler 100 könnte Teil einer Vielzahl von Vorrichtungen sein, so beispielsweise eines Mikrocontrollers, eines digitalen Signalprozessors (DSP), einer Digitalkamera, eines PDA oder dergleichen. In einer Ausführungsform ist der Analog-Digital-Wandler 100 Teil eines 8-bit-Mikrocontrollers. Der Abtastwert von RSENSE 102 wird durch einen Sigma-Delta-Modulator 104 über einen Umpolungsschalter 110 verarbeitet. In einer Weiterentwicklung der oben genannten Patentanmeldung, die in dieser Anmeldung weiter unten ausführlich beschrieben wird, weist der Analog-Digital-Wandler 100 ebenfalls einen Umpolungsschalter 110 auf, der mit dem Modulator 104, den Dezimationsfiltern 106a und 106b sowie den Steuer-und-Status-Registern 112 gekoppelt ist.
  • Der Modulator 104 erzeugt eine überabgetastetes, rauschgeformtes (Großteil der Rauschenergie in hohen Frequenzen) Signal (typischerweise hat das Signal 1 bit). Aus diesem Signal beseitigen die zwei Dezimationsfilter 106a und 106b des CDAC-Filters 106 das Au ßenband-Rauschen und reduzieren die Datenrate, um ein hochaufgelöstes Signal zu erzeugen.
  • Die zwei Dezimationsfilter 106a und 106b erzeugen zwei Datenwerte, d. h. Momentanstrom und akkumulierten Strom. Der Momentanstrom hat eine kürzere Umwandlungszeit, jedoch niedrigere Auflösung. Der akkumulierte Stromausgang bildet eine Strommessung für Coulomb-Zählung. Die Umwandlungszeit des akkumulierten Stroms kann so konfiguriert werden, dass sie einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Umwandlungszeit bildet.
  • Der Analog-Digital-Wandler 100 ermöglicht auch Normalstromerfassung. Die Normalstromerfassung vergleicht die Daten von der Umwandlung mit Ladungs-/Entladungs-Schwellenwerten, die von dem Benutzer angegeben werden. Um Strom zu sparen, gibt es einen speziellen Modus, in dem der Benutzer das Normalstrom-Abtastintervall über die Steuer-und-Status-Register 112 konfiguriert. Der Analog-Digital-Wandler 100 führt dann in einer Ausführungsform vier Momentanstrom-Umwandlungen durch (die ersten drei Umwandlungen sind Schein-Umwandlungen, um ordnungsgemäßes Einschwingen der Dezimationsfilter 106a und 106b zu gewährleisten) und vergleicht über Strom-Komparator 114 den letzten Umwandlungswert mit den durch den Benutzer angegebenen Schwellenwerten. Wenn der Wert über dem Schwellenwert liegt, wird ein Wecksignal an einen Sleep-Controller (nicht dargestellt) ausgegeben, und Interrupts für Momentan- und Normalstrom werden ausgegeben. Wenn dies nicht der Fall ist, werden der Modulator 104 und der Dezimationsfilter 106 über eine bestimmte Zeit abgeschaltet, bevor erneut gestartet wird. Der Benutzer gibt den Zeitraum an, über den der Modulator 104 und der Filter 106 abgeschaltet sein sollten. Dies ermöglicht im Stromsparmodus Betrieb mit außerordentlich niedrigem Stromverbrauch, wenn geringe Lade- und Entladeströme fließen. Der Analog-Digital-Wandler 106 erzeugt Interrupts bei abgeschlossener Umwandlung von dem Momentanstrom und dem akkumulierten Strom und wenn ein Normalstrom erfasst wird.
  • Der Offset-Fehler tritt, wie oben beschrieben, beim Einsatz von Analog-Digital-Wandlern auf, und es ist wünschenswert, diesen Offset-Fehler auf ein Minimum zu verringern, um die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers zu verbessern. Ein System und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verringern den Offset-Fehler auf ein Minimum, indem sie den akkumulierten Offset-Fehler über viele Abtastwerte kompensieren, so dass eine weitaus höhere Genauigkeit bei der Kompensation des Offset-Fehlers erzielt wird. Die folgende Beschreibung dient im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren der ausführlichen Beschreibung der Merkmale der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das Reduzierung des akkumulierten Offset-Fehlers in einem Analog-Digital-Wandler auf einen sehr niedrigen Wert gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • In einem ersten Zustand wird eine erste Folge von Umwandlungen eines Eingangssignals über Schritt 202 so durchgeführt, dass der Offset-Fehler, der aus den Umwandlungen resultiert, zu einem ersten Ergebnis addiert wird. In einem zweiten Zustand wird eine zweite Folge von Umwandlungen des Eingangssignals über Schritt 204 so durchgeführt, dass der Offset-Fehler, der aus den Umwandlungen resultiert, effektiv von einem zweiten Ergebnis subtrahiert wird. Schließlich wird durch Kombinieren dieses ersten und zweiten Ergebnisses über Schritt 206 der Offset-Fehler in dem Analog-Digital-Wandler effektiv unterdrückt.
  • Die eigentliche Implementierung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ändert die Polarität des Offset-Fehlers nicht, da sich dies nur sehr schwer genau erreichen lässt. Stattdessen wird die Polarität des Eingangssignals geändert, ohne die Polarität des Offset-Fehlers zu ändern. Dann wird die Polarität des Ergebnisses geändert, wodurch das Eingangssignal die richtige Polarität hat und ein Offset-Fehler eine entgegengesetzte Polarität hat. Da der Offset-Fehler, wie dies oben dargestellt ist, in der ersten Folge addiert wird und in der zweiten Folge subtrahiert wird, besteht das Endergebnis darin, dass der Offset-Fehler aufgehoben wird. Dieses Verfahren ist besonders nützlich für Einsatzzwecke, bei denen die Summe einer langen Folge von Messungen berechnet wird. Ein Beispiel dafür könnte bei der Restlaufzeitanzeige von Batteriesystemen eingesetzt werden (Berechnungen verbleibender Kapazität).
  • Die folgende Beschreibung dient in Verbindung mit den beigefügten Figuren dazu, eine Umsetzung dieses Merkmals in einem Analog-Digital-Wandler zu beschreiben. Die Haupt-Komponenten zum Umsetzen von Offset-Fehlerkompensation gemäß der vorliegenden Erfindung sind, wie unter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, der Modulator 104 und der Umpolungsschalter 110. Ihr Betrieb und ihre Wechselwirkung werden im Folgenden ausführlich erläutert.
  • Sigma-Delta-Modulator 104
  • In dieser Ausführungsform wird ein Sigma-Delta-Modulator 104 offenbart. Der Fachmann weiß jedoch, dass eine Vielzahl von Typen von Modulatoren, wie diejenigen, die in Analog-Digital-Wandlern mit schrittweiser Annäherung, Pipeline-Analog-Digital-Wandlern oder dergleichen eingesetzt werden, innerhalb des Geistes und des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung angewendet werden können. Üblicherweise ist der Modulator 104 ein analo ges Modul. Der Modulator 104 tastet das Eingangssignal mehrmals („Überabtastung”) ab, um eine einzelne Umwandlung durchzuführen, beispielsweise 128 mal. Jede Umwandlung wird als eine Zahl ausgegeben, die in den Dezimationsfiltern 106a und 106b akkumuliert wird.
  • Die zwei Dezimationsfilter 106a und 106b akkumulieren die Zahlen von dem Modulator 104. Das Endergebnis ist daher eine Zahl, die aus der Summe aller Zahlen von dem Modulator 104 (beispielsweise 18 bits) besteht, die einer Umwandlung entsprechen. Die Zahlen von dem Modulator 104 haben erheblich weniger Bits, normalerweise nur 1 oder 2 bits. Die hohe Genauigkeit des Ergebnisses wird durch das Überabtasten und die Akkumulation erreicht.
  • Umpolungsschalter 110
  • 3 zeigt einen Umpolungsschalter 110 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Umpolungsschalter 110 ändert die Polarität des Eingangssignals auf Basis von Signalen von den Steuerregistern. Wenn Leitungen 202 und 204 an Positionen A gekoppelt sind, ist, wie zu sehen ist, die Polarität normal, und wenn die Leitungen 202 und 204 an Position B gekoppelt sind, wird die Polarität umgekehrt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Umpolungsschalter in Hardware implementiert.
  • Es ist bekannt, dass die Hauptquelle des Offset-Fehlers in dem Analog-Digital-Wandler der Modulator 104 ist. Es gibt auch einige andere Quellen für Offset-Fehler, beispielsweise die externen Komponenten und die Eingangsstifte. Der Großteil des Offset-Fehlers stammt jedoch von dem Modulator 104. Dementsprechend wird mit einem System und einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung der durch den Modulator 104 verursachte Offset-Fehler effektiv beseitigt. Dementsprechend sind, wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, die Ergebnisse der Messungen des Analog-Digital-Wandlers in den Schritten 202 und 204 an dem Analog-Digital-Wandler 100 in 1 die im Folgenden dargestellten:
    Schritt 202: Ergebnis 1 = Eingangssignal + externer Offset-Fehler + Offset-Fehler der Eingangsstifte + Offset-Fehler des Umpolungsschalters in Zustand 1 + Sigma-Delta-Offset-Fehler.
  • Schritt 204: Ergebnis 2 = Eingangssignal – externer Offset-Fehler – Offset-Fehler der Eingangsstifte + Offset-Fehler des Umpolungsschalters in Zustand 2 + Sigma-Delta-Offset-Fehler.
  • Wenn die Polarität des Ergebnisses 2 (beispielsweise durch Invertieren des Eingangssignals) geändert wird und die zwei Ergebnisse gemittelt werden, ergibt sich das folgende Endergebnis: Mittelwert = ((Eingangssignal + externer Offset-Fehler + Offset-Fehler der Eingangsstifte + Offset-Fehler des Umpolungsschalters in Zustand 1 + Sigma-Delta-Offset-Fehler) + (Eingangssignal + externer Offset-Fehler + Offset-Fehler der Eingangsstifte – Offset-Fehler des Umpolungsschalters in Zustand 2 – Sigma-Delta-Offset-Fehler))/2 = Eingangssignal + externer Offset-Fehler + Offset-Fehler der Eingangsstifte + (Offset-Fehier des Umpolungsschalters in Zustand 1 – Offset-Fehler des Umpolungsschalters in Zustand 2)/2
  • Der Offset-Fehler des Modulators wird, wie zu sehen ist, durch diesen Prozess effektiv beseitigt. Der externe Offset-Fehler und der Offset-Fehler der Eingangsstifte werden nicht geändert, jedoch sind diese, wie bereits erwähnt, verglichen mit dem Offset-Fehler des Modulators, der normalerweise zwei Größenordnungen größer ist, sehr gering. Ein Offset-Fehler wird durch den Umpolungsschalter 110 verursacht. Dieser ist jedoch ebenfalls verglichen mit dem Offset-Fehler des Modulators 104, der normalerweise zwei Größenordnungen größer ist, sehr gering. Daher verbessert sich das Endergebnis um zwei Größenordnungen.
  • Die oben beschriebene Kompensation des Offset-Fehlers kann in einer Vielzahl von Ausführungsformen implementiert werden, von denen im Folgenden zwei beschrieben werden. Zunächst wird ein Mikrocontroller-System beschrieben, bei dem der Analog-Digital-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
  • 4 ist ein Blockschaltbild eines Systems 350, bei dem der Analog-Digital-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Das System enthält eine CPU bzw. einen Mikrocontroller 352, der mit einem Datenbus 351 gekoppelt ist. Der Mikrocontroller 352 enthält Speichereinheiten 354–356, die Software-Programme speichern, die durch den Mikrocontroller 352 ausgeführt werden. Das System 350 enthält des Weiteren einen Analog-Digital-Wandler 100' gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführungsform 1
  • In der ersten Ausführungsform gilt Folgendes:
    • 1. Der Umpolungsschalter 110 wird in Hardware hinzugefügt; und
    • 2. Software steuert den Umpolungsschalter 110 (Schritt 204, 2).
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Software-Programm darstellt, das Steuerung des Umpolungsschalters bewirkt. Zunächst wird über Schritt 402, während die Analog-Digital-Umwandlungen durchgeführt werden, eine Suche nach einem Zeitraum durchgeführt, in dem das Eingangssignal einen konstanten Eingangspegel hat. Anschließend werden über Schritt 404 N Umwandlungen (l) mit einer positiven Polarität am Eingang durchgeführt, auf die N Umwandlungen mit negativer Polarität an dem Eingang folgen. Dann wird über Schritt 406 festgestellt, ob das Eingangspegelsignal über 2 × N Umwandlungen konstant war. Schließlich wird über Schritt 406 der Offset mit der Gleichung Offset = (l1 + l2 + ... + l2n)/(2 × N) berechnet, um den Mittelwert zu ermitteln. Dadurch kann der Offset regelmäßig gemessen werden.
  • Das Flussdiagramm beschreibt eine effektive Art und Weise des Messens des Ist-Offsets ohne Unterbrechung laufender Umwandlungen des Analog-Digital-Wandlers. Dies kann in Batterieüberwachungssystemen nützlich sein, in denen der Analog-Digital-Wandler kontinuierlich läuft, um die Ladung zu akkumulieren, die in die Batterie hinein und aus ihr heraus fließt. In Ruheperioden ist der Strompegel über sehr lange Zeiträume sehr stabil, und diese Perioden können genutzt werden, um den Ist-Offsetpegel des Analog-Digital-Wandlers zu messen und zu aktualisieren.
  • Das Endergebnis von dem Analog-Digital-Wandlar wird nicht invertiert. Daher muss Software die Ergebnisse invertieren, wenn sich der Umpolungsschalter in Zustand 2 befindet.
  • Eine Anzahl von Umwandlungen muss, wie weiter unten ausführlicher erläutert, in Zustand 1 durchgeführt werden (Schritt 204, 2), und dann muss eine Anzahl von Umwandlungen in Zustand 2 durchgeführt werden. Die Umwandlungen werden mittels Software ausgeführt. Die empfohlene Anzahl von Umwandlungen, die bei dieser speziellen Umsetzung durchgeführt werden müssen, beträgt 16.
  • Ausführungsform 2
  • In der zweiten Ausführungsform gilt Folgendes:
    • 1. Der Umpolungsschalter 110 wird in Hardware hinzugefügt.
    • 2. Software steuert den Umpolungsschalter 110.
  • Bei dieser Ausführungsform invertiert der Modulator 104 jedoch das Ausgangssignal vor dem Filter 106. Daher muss Software nicht mehr die Ergebnisse invertieren, wenn sich der Umpolungsschalter 110 in Zustand 2 befindet. Diese zweite Ausführungsform weist die im Folgenden aufgeführten zusätzlichen Vorteile auf:
    • 1. Dem Filter 106 wird ein stabilerer Wert zugeführt, wenn der Umpolungsschalter 110 umschaltet.
    • 2. Die Verwendung des akkumulierten Wertes durch Hardware macht Polaritätskorrektur in Hardware erforderlich. Änderung der Polarität an diesem Punkt ermöglicht die kostengünstigste Hardware-Lösung, da die Anzahl normalerweise 1 Bit beträgt. Ein Beispiel für die Verwendung des akkumulierten Wertes durch Hardware ist die „Normalstromerfassung”, mit der erfasst wird, ob der Wert über einer bestimmten Grenze liegt. Dies kann beispielsweise mit dem Strom-Komparator 114 durchgeführt werden.
  • Es ist nicht notwendig, den Umpolungsschalter in Software zu implementieren. Er kann auch in Hardware implementiert werden. Softwaresteuerung ermöglicht jedoch Flexibilität.
  • Das Dezimationsfilter 106 führt, wie bereits erwähnt, Nachbearbeitung und Integration der Abtastwerte durch. Wenn der Analog-Digital-Wandler aktiviert wird, benötigt das Filter 106 normalerweise wenige Umwandlungsvorgänge zum „Einschwingen”, bevor es den korrekten Ausgangswert erzeugt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Register in dem Filter 106 bei einer Standardeinstellung starten (normalerweise 0). Das gleiche Erfordernis gilt nach wesentlichen Änderungen des Eingangswertes. Es ist zu bemerken, dass, wenn die Polarität geändert wird, dies wie eine abrupte Änderung des Eingangssignalpegels wirkt, und Filter 106 eine gewisse Zeit benötigt, um sich auf diesen neuen Wert einzuschwingen. Daher wird nicht empfohlen, die Polarität bei jeder Umwandlung umzuschalten. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn eine Anzahl von Umwandlungen mit einer Polaritätseinstellung durchgeführt wird und dann die gleiche Anzahl mit der entgegengesetzten Polaritätseinstellung. Die Anzahl von Umwandlungen hängt von der Einschwingzeit von Filter 106 und anderen Faktoren ab. Daher ermöglicht die gewählte Lösung Bestimmung der Anzahl von Umwandlungen mittels Software. Bei anderen Umsetzungen kann die Anzahl von Umwandlungen wahlweise in Hardware festgelegt werden.
  • In Ausführungsform 2 wird das Problem der Einschwingzeit des Filters 106 umgangen, indem der Ausgang von dem Modulator 104 invertiert wird, wenn der Eingang mit entgegengesetzter Polarität abgetastet wird, so dass dem Filter 106 ein stabiler Wert zugeführt wird. Ausführungsform 2 würde Umschalten der Polarität in jedem Zyklus ermöglichen, wenn der Modulator 104 keinen ähnlichen Einschwingeffekt aufweist.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung entsprechend den dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann ohne Weiteres, dass Änderungen an den Ausführungsformen vorgenommen werden können und diese Änderungen innerhalb des Geis tes und des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen würden. Der Analog-Digital-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Vielzahl von Vorrichtungen, wie beispielsweise einem Mikrocontroller, einem digitalen Signalprozessor oder anderen Typen integrierter Schaltungen eingesetzt werden. Die Merkmale der vorliegenden Erfindung können bei einer Vielzahl von Analog-Digital-Wandlern eingesetzt werden und sind in keiner Weise auf den Stromerfassungs-Analog-Digital-Wandler beschränkt, der in der vorliegenden Erfindung offenbart wird. Dementsprechend können viele Abwandlungen vom Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
  • Zusammenfassung
  • Minimierung von Offset-Fehler in einem Analog-Digital-Wandler
  • Offenbart werden ein Verfahren und ein System, die bei einem Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden. Das Verfahren und das System umfassen Durchführen einer ersten Umwandlung eines Eingangssignals. Bei der ersten Umwandlung wird ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert, um ein erstes Ergebnis zu schaffen. Das Verfahren und das System schließen des Weiteren Durchführen einer zweiten Umwandlung des Eingangssignals ein. Bei der zweiten Umwandlung wird ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert, um ein zweites Ergebnis zu schaffen. Das erste und das zweite Ergebnis werden dann kombiniert, um den Offset-Fehler im Wesentlichen zu beseitigen. Mit einem System und einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird der akkumulierte Offset-Fehler über zahlreiche Abtastwerte kompensiert, so dass eine weitaus höhere Genauigkeit bei der Kompensation des Offset-Fehlers erreicht wird.

Claims (31)

  1. Verfahren, das bei einem Analog-Digital-Wandler eingesetzt wird und das umfasst: Durchführen einer ersten Umwandlung eines Eingangssignals, bei der ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert wird, um ein erstes Ergebnis zu schaffen; Durchführen einer zweiten Umwandlung des Eingangssignals, bei der ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu schaffen, und Kombinieren des ersten und des zweiten Ergebnisses, um den Offset-Fehler des Analog-Digital-Wandlers im Wesentlichen zu beseitigen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Offset-Fehler durch einen Modulator in dem Analog-Digital-Wandler erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Polarität der ersten Umwandlung des Eingangssignals entgegengesetzt zu der Polarität der zweiten Umwandlung des Eingangssignals ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Kombinierens Invertieren der Polarität des zweiten Ergebnisses und Mitteln des ersten und des zweiten Ergebnisses umfasst, wodurch der Offset-Fehler des Modulators beseitigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Kombinierens durch Software gesteuert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Software das zweite Ergebnis invertiert.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Hardware in dem Modulator das zweite Ergebnis invertiert.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Durchführens der ersten Umwandlung Ausführen einer ersten Gruppe von Umwandlungen umfasst und der Schritt des Durchführens der zweiten Umwandlung Ausführen einer zweiten Gruppe von Umwandlungen umfasst.
  9. Analog-Digital-Wandler, der umfasst: einen Modulator, der so eingerichtet ist, dass er ein überabgetastetes Signal erzeugt; ein digitales Filter, das mit dem Modulator gekoppelt ist, um Außenbandrauschen zu beseitigen und um die Datenrate zu reduzieren und so ein hochaufgelöstes Signal zu erzielen; einen Umpolungsschalter, der mit dem Modulator verbunden ist, um die Polarität eines Eingangssignals zu dem Modulator umzuschalten; und einen Steuermechanismus zum Steuern des Umpolungsschalters, wobei der Steuermechanismus dazu dient, eine erste Umwandlung eines Eingangssignals durchzuführen, bei der ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert wird, um ein erstes Signal zu schaffen, eine zweite Umwandlung des Eingangssignal durchzuführen, bei der ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu schaffen, und das erste und das zweite Ergebnis zu kombinieren, um den Offset-Fehler im Wesentlichen zu beseitigen.
  10. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 9, wobei der Modulator einen Sigma-Delta-Modulator umfasst.
  11. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 9, wobei das digitale Filter ein erstes und ein zweites Dezimationsfilter umfasst, das erste Dezimationsfilter einen Momentanstrom-Ausgang bereitstellt und das zweite Dezimationsfilter einen akkumulierten Stromausgang bereitstellt.
  12. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 9, wobei der Steuermechanismus Software umfasst.
  13. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 9, wobei die Polarität der ersten Umwandlung des Eingangssignals der Polarität der zweiten Umwandlung des Eingangssignals entgegengesetzt ist.
  14. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Kombinierens Invertieren der Polarität des zweiten Ergebnisses und Mitteln des ersten und des zweiten Ergebnisses umfasst, wodurch der Offset-Fehler des Modulators beseitigt wird.
  15. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 14, wobei der Umpolungsschalter durch Software gesteuert wird.
  16. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 14, wobei die Software das zweite Ergebnis invertiert.
  17. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 14, wobei Hardware in dem Modulator das zweite Ergebnis invertiert.
  18. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Durchführens der ersten Umwandlung Ausführen einer ersten Gruppe von Umwandlungen umfasst und der Schritt des Durchführens der zweiten Umwandlung Ausführen einer zweiten Gruppe von Umwandlungen umfasst.
  19. System, das umfasst: einen Mikrocontroller; und einen Analog-Digital-Wandler, der in den Mikrocontroller integriert ist, wobei der Analog-Digital-Wandler einen Modulator umfasst, der so eingerichtet ist, dass er ein überabgetastetes Signal erzeugt, ein digitales Filter, das mit dem Modulator gekoppelt ist, um Außenbandrauschen zu beseitigen und die Datenrate zu reduzieren und so ein hochaufgelöstes Signal zu erzielen, einen Umpolungsschalter, der mit dem Modulator gekoppelt ist, um die Polarität eines Eingangssignals zu dem Modulator umzuschalten, und einen Steuermechanismus zum Steuern des Umpolungsschalters, wobei der Steuermechanismus eine erste Umwandlung eines Eingangssignals durchführt, bei der ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert wird, um ein erstes Ergebnis zu schaffen, eine zweite Umwandlung des Eingangssignals durchführt, bei der ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu schaffen, und das erste und das zweite Ergebnis kombiniert, um den Offset-Fehler im Wesentlichen zu beseitigen.
  20. Computerlesbares Medium, das Programmbefehle enthält, die bei einem Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden, wobei das Programm Befehle enthält zum: Durchführen einer ersten Umwandlung eines Eingangssignals, bei der ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert wird, um ein erstes Ergebnis zu schaffen; Durchführen einer zweiten Umwandlung des Eingangssignals, bei der ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu schaffen, und Kombinieren des ersten und des zweiten Ergebnisses, um den Offset-Fehler des Analog-Digital-Wandlers im Wesentlichen zu beseitigen.
  21. Computerlesbares Medium nach Anspruch 20, wobei der Offset-Fehler durch einen Modulator in dem Analog-Digital-Wandler erzeugt wird.
  22. Computerlesbares Medium nach Anspruch 21, wobei die Polarität der ersten Umwandlung des Eingangssignals entgegengesetzt zu der Polarität der zweiten Umwandlung des Eingangssignals ist.
  23. Computerlesbares Medium nach Anspruch 22, wobei der Schritt des Kombinierens Invertieren der Polarität des zweiten Ergebnisses und Mitteln des ersten und des zweiten Ergebnisses umfasst, wodurch der Offset-Fehler des Modulators beseitigt wird.
  24. Computerlesbares Medium nach Anspruch 23, wobei der Schritt des Kombinierens durch Software gesteuert wird.
  25. Computerlesbares Medium nach Anspruch 23, wobei Software das zweite Ergebnis invertiert.
  26. Computerlesbares Medium nach Anspruch 23, wobei Hardware in dem Modulator das zweite Ergebnis invertiert.
  27. Computerlesbares Medium nach Anspruch 20, wobei der Schritt des Durchführens der ersten Umwandlung Ausführen einer ersten Gruppe von Umwandlungen umfasst und der Schritt des Durchführens der zweiten Umwandlung Ausführen einer zweiten Gruppe von Umwandlungen umfasst.
  28. Verfahren, das bei einem Analog-Digital-Wandler eingesetzt, wobei es umfasst: Durchführen einer ersten Umwandlung eines Eingangssignals über einen Umpolungsschalter, bei der ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert wird, um ein erstes Ergebnis zu schaffen; Durchführen einer zweiten Umwandlung des Eingangssignals über den Umpolungsschalter, bei der ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu schaffen, wobei der Umpolungsschalter durch Software gesteuert wird; und Kombinieren des ersten und des zweiten Ergebnisses, um den Offset-Fehler des Analog-Digital-Wandlers im Wesentlichen zu beseitigen, wobei der Offset-Fehler gemessen wird, ohne Umwandlungen des Eingangssignals zu unterbrechen.
  29. Analog-Digital-Wandler, der umfasst: einen Modulator, der so eingerichtet ist, dass er ein überabgetastetes Signal erzeugt; ein digitales Filter, das mit dem Modulator gekoppelt ist, um Außenbandrauschen zu beseitigen und um die Datenrate zu reduzieren und so ein hochaufgelöstes Signal zu erzielen; einen Umpolungsschalter, der mit dem Modulator verbunden ist, um die Polarität eines Eingangssignals zu dem Modulator umzuschalten; und ein Software-Programm zum Steuern des Umpolungsschalters, wobei das Softwareprogramm dazu dient, eine erste Umwandlung eines Eingangssignals durchzuführen, bei der ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert wird, um ein erstes Signal zu schaffen, eine zweite Umwandlung des Eingangssignal durchzuführen, bei der ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu schaffen, und das erste und das zweite Ergebnis zu kombinieren, um den Offset-Fehler im Wesentlichen zu beseitigen, wobei der Offset-Fehler ohne Umwandlungen des Eingangssignals gemessen wird.
  30. System, das umfasst: einen Mikrocontroller; und einen Analog-Digital-Wandler, der in den Mikrocontroller integriert ist, wobei der Analog-Digital-Wandler einen Modulator umfasst, der so eingerichtet ist, dass er ein überabgetastetes Signal erzeugt; ein digitales Filter, das mit dem Modulator gekoppelt ist, um Außenbandrauschen zu beseitigen und die Datenrate zu reduzieren und so ein hochaufgelöstes Signal zu erzielen; einen Umpolungsschalter, der mit dem Modulator gekoppelt ist, um die Polarität eines Eingangssignals zu dem Modulator umzuschalten; und ein Software-Programm zum Steuern des Umpolungsschalters, wobei das Software-Programm eine erste Umwandlung eines Eingangssignals durchführt, bei der ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert wird, um ein erstes Ergebnis zu schaffen, eine zweite Umwandlung des Eingangssignals durchführt, bei der ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu schaffen, und das erste und das zweite Ergebnis kombiniert, um den Offset-Fehler im Wesentlichen zu beseitigen, wobei der Offset-Fehler ohne Umwandlungen des Eingangssignals gemessen wird.
  31. Computerlesbares Speichermedium, das Programmbefehle enthält, die bei einem Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden, wobei die Programmbefehle dienen zum: Durchführen einer ersten Umwandlung eines Eingangssignals über den Umpolungsschalter, bei der ein Offset-Fehler zu dem Eingangssignal addiert wird, um ein erstes Ergebnis zu schaffen; Durchführen einer zweiten Umwandlung des Eingangssignals über den Umpolungsschalter, bei der ein Offset-Fehler von dem Eingangssignal subtrahiert wird, um ein zweites Ergebnis zu schaffen, wobei der Umpolungsschalter durch Software gesteuert wird; und Kombinieren des ersten und des zweiten Ergebnisses, um den Offset-Fehler des Analog-Digital-Wandlers im Wesentlichen zu beseitigen, wobei der Offset-Fehler ohne Umwandlungen des Eingangssignals gemessen wird.
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