DE19914207C2

DE19914207C2 - A/D-Wandlerschaltung

Info

Publication number: DE19914207C2
Application number: DE19914207A
Authority: DE
Inventors: Horst Kroeckel; Peter Feld; Markus Vester
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: DE19914207A1; US6285305B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine A/D-Wandlerschaltung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige A/D-Wandlerschaltung ist aus der DE 29 46 502 C2 bekannt.

Aus der US-PS 5 546 081 bzw. der hiermit korrespondierenden DE 43 19 256 A1 ist eine Analog/Digital-Wandlerschaltung zum Digitalisieren eines amplitudenmodulierten analogen Hochfre quenzsignals bekannt. Die A/D-Wandlerschaltung besteht aus einem A/D-Wandler mit vorgeschaltetem, steuerbarem Verstärker und nachgeschaltetem digitalen Dividierer. Die Verstärkung des steuerbaren Verstärkers und die Division des Dividierers kompensieren einander. Die Steuersignale für den Verstärker und dem Dividierer werden von einem Pegelerkennungsglied er mittelt und dem Verstärker und dem Dividierer vorgegeben.

Die bekannte A/D-Wandlerschaltung ist insofern nachteilig, als an die Linearität der Digitalisierung hohe Anforderungen zu stellen sind. Diese können nur dann erfüllt werden, wenn der Verstärker mit konstanten und genau einstellbaren Ver stärkungsfaktoren arbeitet und der A/D-Wandler sehr linear arbeitet. Ein weiteres, schwerwiegendes Problem besteht dar in, dass bei Änderungen der Verstärkung diese sehr schnell eingestellt werden muss.

Aus der DE 690 11 998 T2 ist eine A/D-Wandler-Schaltung mit zwei zueinander parallel geschalteten Signalwegen bekannt, denen ein gemeinsames Eingangssignal zugeführt wird. In jedem der Signalwege ist eine Abtast- und Halteschaltung angeord net, deren Ausgangssignale über eine Umschalteinheit nachein ander einem A/D-Wandler zugeführt werden. Einer der Abtast- und Halteschaltungen ist ein Verstärker mit einstellbarer Verstärkung vorgeordnet.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten europäischen Pa tentanmeldung 98 402 386.1 ist eine A/D-Wandlerschaltung mit einer Abtast- und Halteschaltung beschrieben, der ein Ver stärker mit einstellbarer Verstärkung nachgeordnet ist, dem wiederum ein A/D-Wandler nachgeordnet ist.

Aus der US-A-5 422 643 ist eine A/D-Wandlerschaltung bekannt, die mehrere zueinander parallelgeschaltete Signalwege auf weist, in denen ein gemeinsames Eingangssignal festen, von einander verschiedenen Verstärkungen unterworfen wird. Den Signalwegen ist eine Auswahlschaltung zum signalpegelabhängi gen Durchschalten genau eines der Signalwege auf einen der Auswahlschaltung nachgeordneten A/D-Wandler nachgeschaltet.

Aus der US-A-4 739 307 ist ein Verstärker mit einstellbarer Verstärkung bekannt, dem eine Abtast- und Halteschaltung nachgeordnet ist, der wiederum eine Auswahlschaltung und ein A/D-Wandler nachgeordnet sind.

Aus der US-A-5 844 512 ist eine A/D-Wandlerschaltung bekannt, bei der ein analoges Eingangssignal einem Verstärker mit ein stellbarer Verstärkung zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird über eine Abtast- und Halteschaltung einem nachgeordneten A/D-Wandler zugeführt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine A/D-Wandlerschaltung anzugeben, die ohne hochgenau arbeitende Komponenten auskommt, dennoch in einem großen Dynamikbereich eine hohe Linearität von Eingangs- zu Ausgangssignal liefert und eine hohe Datenrate verarbeiten kann.

Die Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße A/D-Wandlerschal tung gelöst, bei der zwischen der Auswahlschaltung und dem A/D-Wandler eine Nach-Abtast-und-Halte-Schaltung angeordnet ist. Die Abtast-und-Halte-Schaltungen können dabei gleich ausgebildet sein.

Wenn die Verstärkung in einem der Signalwege gleich eins ist, ist der Aufbau der A/D-Wandlerschaltung besonders einfach. In dem anderen der Signalwege kann die Verstärkung wahlweise größer oder kleiner eins sein.

Wenn die Verstärkung kleiner eins ist, ist sie auf besonders einfache Weise mit rein passiven Komponenten (z. B. einer Wi derstands-Teilerschaltung) realisierbar. Gegebenenfalls kann es aber erforderlich sein, vor oder hinter der Vor-Abtast- und-Halte-Schaltung eine Vorverstärkung des analogen Ein gangssignals vorzunehmen.

Wenn dem A/D-Wandler zur Korrektur von Linearitätsfehlern ei ne Korrekturschaltung nachgeordnet ist, ist eine Kompensation von Linearitätsfehlern des A/D-Wandlers möglich.

Wenn die Auswahlschaltung mit der Korrekturschaltung verbun den ist, kann zusammen mit der Linearitätskorrektur zugleich auch der Wertebereich des digitalisierten Signals eingestellt werden. Zur Kompensation einer durch die A/D-Wandlung bewirk ten Wandlungszeit ist dabei vorzugsweise zwischen der Aus wahlschaltung und der Korrekturschaltung ein Verzögerungsele ment angeordnet.

Die erfindungsgemäße A/D-Wandlerschaltung kann insbesondere in einer Empfangseinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung verwendet werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zei gen in Prinzipdarstellung

Fig. 1 eine A/D-Wandlerschaltung,

Fig. 2 eine weitere A/D-Wandlerschaltung,

Fig. 3 ein Ansteuerungsdiagramm und

Fig. 4 eine Magnetresonanzeinrichtung

Gemäß Fig. 1 weist eine allgemein mit 1 bezeichnete A/D-Wand lerschaltung eine Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung 2 (Sample- and-Hold-Speicher) auf. Sie dient dem Erfassen und Zwischen speichern eines analogen Eingangssignals e, das über den Ein gang 3 in die Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung 2 eingespeichert werden kann.

Der Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung 2 sind zwei Signalwege 4, 5 nachgeordnet, welche zueinander parallelgeschaltet sind. Die Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung 2 gibt das zwischengespei cherte Eingangssignal e auf beide Signalwege 4, 5 aus. In den Signalwegen 4, 5 wird das Eingangssignal e festen, voneinan der verschiedenen Verstärkungen unterworfen. Gemäß Fig. 1 ist die Verstärkung im Signalweg 4 wegen des Verstärkers 6 größer eins, im Signalweg 5 gleich eins.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 6 wird auch einer Pegeler fassungsschaltung 9 zugeführt, die der Auswahlschaltung 7 zu geordnet ist. Wenn die Pegelerfassungsschaltung 9 detektiert, daß das verstärkte Eingangssignal oberhalb eines Grenzpegels p0 liegt, wird die Auswahlschaltung 7 derart angesteuert, daß das unverstärkte Eingangssignal e von der Auswahlschaltung 7 durchgeschaltet wird. Ansonsten wird von der Auswahlschaltung 7 das verstärkte Eingangssignal durchgeschaltet. Es wird also stets genau einer der Signalwege 4, 5 durchgeschaltet.

Das durchgeschaltete Signal wird einer Nach-Abtast-und-Halte- Schaltung 10 zugeführt. Die Nach-Abtast-und-Halte-Schaltung 10 kann dabei genauso ausgebildet sein wie die Vor-Abtast- und-Halte-Schaltung 2. Von der Nach-Abtast-und-Halte-Schal tung 10 wird das durchgeschaltete Signal einem A/D-Wandler 11 zugeführt. Dieser digitalisiert das ihm zugeführte Analogsi gnal mit einer Genauigkeit von z. B. 12 Bit.

Das vom A/D-Wandler 11 digitalisierte Signal wird einer Kor rekturschaltung 12 zugeführt. Dieses korrigiert eine etwaige Nichtlinearität des A/D-Wandlers 11. Der Korrekturschaltung 12 ist ferner über ein Verzögerungselement 13 mit der Pegel erfassungsschaltung 9 verbunden. Das Verzögerungselement 13 dient der Kompensation einer Wandlungszeit T, welcher der A/D-Wandler 11 benötigt, um das ihm zugeführte Analogsignal in einen Digitalwert umzuwandeln.

Der Korrekturschaltung 12 werden also gemäß Fig. 1 insgesamt 13 Bit zugeführt, nämlich 12 Bit vom A/D-Wandler 11 und ein Bit vom Verzögerungselement 13. Die Korrekturschaltung 12 hat eine Ausgangsbreite von 16 Bit. Wenn die Auswahlschaltung 7 das verstärkte Eingangssignal durchgeschaltet hat, gibt die Korrekturschaltung 12 ein Signal aus, bei dem die vier höchstwertigen Bit null sind. Die 12 niederwertigen Bit wer den durch das - gegebenenfalls korrigierte - Ausgangssignal des A/D-Wandlers 11 bestimmt. Wenn hingegen von der Auswahl schaltung 7 das unverstärkte Eingangssignal e durchgeschaltet wird, bestimmt das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 11 die 12 höchstwertigen Bit des von der Korrekturschaltung 12 ausgege benen Signals. Die vier niedrigstwertigen Bit sind dann null.

Aus Fig. 1 ist ferner ersichtlich, daß die A/D-Wandlerschal tung 1 einen Taktgeber 14 aufweist. Mittels des Taktgebers 14 werden die Abtast-und-Halte-Schaltungen 2, 10, der A/D-Wand ler 11 und die Korrekturschaltung 12 getaktet. Die Taktung erfolgt mit einer Abtastrate, welche weit oberhalb 1 MHz liegt. Vorzugsweise liegt die Abtastrate zwischen 5 MHz und 100 MHz.

In Fig. 3 ist die Taktung der Abtast-und-Halte-Schaltungen 2, 10 dargestellt. Der Buchstabe S steht dabei in Fig. 3 für Sample, d. h. Einspeichern des Eingangssignals e, H für Hold bzw. Halten des Eingangssignals e. Mit t ist die Zeitachse bezeichnet. Ergänzend sind in Fig. 3 auch die Taktsignale dar gestellt, bei denen der A/D-Wandler 11 ein neues Eingangs signal e übernimmt. In den Taktpausen erfolgt dann die Digi talisierung des Eingangssignals e.

Aufgrund der Pipelinestruktur der A/D-Wandlerschaltung 1 mit zwei Abtast-und-Halte-Schaltungen 2, 10 kann der A/D-Wandler 11 ein bereits abgetastetes Eingangssignal e wandeln, während das Eingangssignal e neu abgetastet wird und die Signalwege 4, 5 und die Auswahlschaltung 7 durchläuft. Die Einschwing zeiten des Verstärkers 6 sowie der Auswahlschaltung 7 dürfen somit fast ebenso lang sein wie die Wandlungszeit T des A/D- Wandlers 11.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä ßen A/D-Wandlerschaltung 1 dargestellt. Gleiche Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die A/D-Wand lerschaltung 1 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der A/D- Wandlerschaltung 1 gemäß Fig. 1 dadurch, daß im einen Signal weg 4 die Verstärkung gleich eins ist, während im anderen Signalweg 5 eine Abschwächung des Signals erfolgt, der Ver stärker 6 also mit einer Verstärkung kleiner eins arbeitet. Dadurch kann der Verstärker 6 mit rein passiven Elementen aufgebaut werden, z. B. als Widerstands-Teilerschaltung. Falls erforderlich, kann das Eingangssignal e vor der Vor- Abtast-und-Halte-Schaltung 2 mittels eines Vorverstärkers 15 verstärkt werden.

Die erfindungsgemäße A/D-Wandlerschaltung 1 kann für ver schiedene Anwendungszwecke eingesetzt werden. Besonders vor teilhaft aber ist, wie in Fig. 4 dargestellt, die Verwendung in einer Empfangseinrichtung 16 einer Magnetresonanzeinrich tung 17. Die Magnetresonanzeinrichtung 17 weist einen Magnet feldsender 18 und einen Magnetfeldempfänger 19 auf. Das Si gnal des Magnetfeldsenders 18 regt ein Objekt 20, das einem Grundmagnetfeld B ausgesetzt ist, zu Magnetresonanzen an. Dieses Magnetresonanzsignal wird dann vor einer digitalen Weiterverarbeitung über die A/D-Wandlerschaltung 1 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 geführt.

Claims

1. A/D-Wandlerschaltung
mit einer Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung (2) zum Erfassen und Zwischenspeichern eines zugeführten analogen Eingangs signals (e) und zum Ausgeben des zwischengespeicherten Ein gangssignals (e),
mit mindestens zwei der Vor-Abtast-und-Kalte-Schaltung (2) nachgeordneten, zueinander parallelgeschalteten Signalwegen (4, 5), in denen das von der Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung (2) ausgegebene zwischengespeicherte Eingangssignal (e) festen, voneinander verschiedenen Verstärkungen unterworfen wird, und
mit einer den Signalwegen (4, 5) nachgeordneten Auswahl schaltung (7) zum signalpegelabhängigen Durchschalten genau eines der Signalwege (4, 5) auf einen der Auswahlschaltung (7) nachgeordneten A/D-Wandler (11),
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der Auswahlschaltung (7) und dem A/D-Wandler (11) eine Nach-Abtast-und-Halte-Schaltung (10) angeordnet ist.

2. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung in einem der Signalwege (4, 5) gleich eins ist.

3. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung in einem der Signalwege (4, 5) kleiner eins ist.

4. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung in einem der Signalwege (4, 5) größer eins ist.

5. A/D-Wandlerschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtast-und-Halte-Schaltungen (2, 10) gleich ausge bildet sind.

6. A/D-Wandlerschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem A/D-Wandler (11) zur Korrektur von Linearitätsfeh lern eine Korrekturschaltung (12) nachgeordnet ist.

7. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlschaltung (9) mit der Korrekturschaltung (12) verbunden ist.

8. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation einer für die A/D-Wandlung benötigten Wandlungszeit (T) zwischen der Auswahlschaltung (9) und der Korrekturschaltung (12) ein Verzögerungselement (13) angeord net ist.

9. A/D-Wandlerschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Empfangseinrichtung (16) einer Magnetreso nanzeinrichtung (17) verwendet wird.