DE3715006A1 - Schaltungsanordnung zum empfang von analogen und/oder digitalen eingangssignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung in CMOS-Technik zum Empfang von analogen Eingangssignalen mit mehreren Schaltungseingängen, die mit einem Multiplexer und einem nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzer gekoppelt sind.

Eine solche Schaltungsanordnung wird beispielsweise in einem Microcontroller verwendet. Ein Microcontroller wird als integrierte Schaltung ausgebildet und enthält einen Mikroprozessor und verschiedene weitere Schalt­ elemente, wie z.B. Speicherschaltungen (RAM und ROM), Steuerschaltungen, Ein- und Ausgabestufen. Die oben genannte Schaltungsanordnung dient dazu, verschiedene analoge Signale in einem Analog-Digital-Umsetzer in digitale Signale umzusetzen. Wenn mehrere analoge Signale verarbeitet werden sollen, werden diese mittels eines Multiplexers im Zeitmultiplexverfahren dem Analog- Digital-Umsetzer zugeführt.

Ein Microcontroller enthält zum Empfang von digitalen Signalen auch mehrere weitere Schaltungseingänge. Häufig wird der Microcontroller so verwendet, daß nicht alle analogen bzw. digitalen Schaltungseingänge benutzt werden.

Die digitalen Signale, die einer digitalen Eingangsstufe zugeführt werden, bestehen aus mehreren Binärsignalen, die, wenn sie größer als ein Schwellwert sind, einem ersten Zustand ("High") und die, wenn sie kleiner als dieser Schwellwert sind, einem zweiten Zustand ("Low") zuzuordnen sind. Ein Binärsignal, das auf eine CMOS-Stufe, die aus komplementären MOS-Feldeffekttransistoren gebildet wird, gegeben wird, weist in der Regel einen solchen Wert auf, daß der Schwellwert so weit über- bzw. unterschritten wird, daß der eine Transistor sperrt und der andere leitet. Häufig werden aber undefinierte Binärsignale einer solchen Stufe zugeführt, die nicht eine vollständige Sperrung bzw. eine vollständige Öffnung der Transistoren erreichen (nicht eindeutiger Signalzustand des Binär­ signals). Hierbei wird in der CMOS-Stufe mehr Energie als bei einem eindeutigem Signalzustand des Binärsignals verbraucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch zum Empfang von digitalen Signalen geeignet ist, die einfach aufgebaut ist, die eindeutige Signalzustände der Binärsignale herstellt und die keine Beeinflussung der analogen Signale bewirkt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schaltungs­ eingänge mit einer zum Empfang von digitalen Signalen dienenden Koppelschaltung gekoppelt sind, deren Eingängen jeweils eine Verarbeitungsstufe zugeordnet ist, die an ihrem Eingang eine Inverterstufe und eine nachgeschaltete, das Ausgangssignal der Verarbeitungsstufe erzeugende Schmitt-Trigger-Stufe aufweist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden die Schaltungseingänge entweder für analoge oder für digitale Signale verwendet. Dadurch ergibt sich eine universelle Verwendbarkeit der integrierten Schaltung bzw. eine Platzersparnis auf der integrierten Schaltung. Die Schmitt-Trigger-Stufe bewirkt, daß ein eindeutiger Signalzustand eines Binärsignals hergestellt wird. Diese erzeugt nämlich bei einem Wechsel von einem Zustand eines Binärsignals zu einem anderen Zustand bei Erreichen eines ersten Schwellwertes bzw. bei Erreichen eines zweiten Schwellwertes im umgekehrten Fall, daß das binäre Ausgangssignal einen eindeutigen Signalzustand auf­ weist. Bei Erreichen eines Schwellwertes wechselt das binäre Ausgangssignal nämlich schlagartig von einem Zustand zum anderen. Die jeweilige Inverterstufe bewirkt eine Entkopplung der jeweiligen Schmitt-Trigger-Stufe vom Analog-Digital-Umsetzer. Ein Analogsignal wird zwar auch in der Koppelschaltung weiterverarbeitet, jedoch kann mittels einer Programmsteuerung im Microcontroller das jeweilige gewünschte Digitalsignal einer weiteren Stufe zugeführt werden, während ein Analogsignal nicht weiter verwendet wird.

Eine weitere Möglichkeit, die analoge und digitale Eingangsstufe zu entkoppeln, besteht darin, daß Umschalter vorgesehen werden, die entweder analoge Signale über den Multiplexer auf den Analog-Digital-Umsetzer geben oder welche die digitalen Signale auf eine digitale Eingangs­ stufe schalten. Zur Steuerung dieser Schalter muß eine zusätzliche Steuerschaltung im Microcontroller vorgesehen werden, wodurch die Schaltungsanordnung sehr aufwendig wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Inverterstufe einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor und einen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor enthält, die jeweils einen hochohmigen Kanalwiderstand aufweisen, und daß der Drain-Anschluß des P-Kanal-MOS-Feldeffekt­ transistors und der Drain-Anschluß des N-Kanal-MOS-Feld­ effekttransistors den Ausgang und der gemeinsame Gate- Anschluß der beiden Transistoren den Eingang der Inverter­ stufe bilden. Wenn kein eindeutiger Signalzustand des der Inverterstufe zugeführten Binärsignals vorliegt, fließt über die Kanäle der beiden Transistoren ein Strom (Querstrom). Da die Kanalwiderstände der beiden Transis­ toren hochohmig gewählt sind, fließt in diesem Zustand ein so kleiner Strom, daß der Energieverbrauch gering gehalten wird.

Die Schmitt-Trigger-Stufe einer Verarbeitungsstufe enthält eine das Ausgangssignal der Inverterstufe erhaltende weitere Inverterstufe, deren Ausgang mit dem Gate-Anschluß eines P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors verbunden ist, dessen Drain-Anschluß mit dem Eingang des weiteren Inverters verbunden ist. Der P-Kanal-MOS-Feldeffekt­ transistor bewirkt eine Mitkopplung, wodurch bei einem Zustandswechsel des Binärsignals das binäre Ausgangssignal bei Überschreiten eines ersten bzw. Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes schlagartig von einem in den anderen Zustand wechselt.

In einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß ein erster Steuertransistor (N-Kanal-MOS-Feld­ effekttransistor), dessen Drain-Anschluß mit dem Source- Anschluß des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors der Inverterstufe verbunden ist, und ein zweiter Steuer­ transistor (P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor), dessen Drain-Anschluß mit dem Ausgang der Inverterstufe verbunden ist, die Inverterstufe bei Erhalt eines Steuersignals an dem jeweiligen Gate-Anschluß der beiden Steuertransistoren abschaltet. Zur Verringerung des Stromverbrauches wird mit dieser Fortbildung eine Abschaltung einer Verarbeitungs­ stufe erreicht, wenn diese nicht zur Verarbeitung von Binärsignalen verwendet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltungs­ anordnung zum Empfang von analogen und/oder digitalen Signalen,

Fig. 2 ein detaillierteres Ausführungsbeispiel einer digitalen Verarbeitungsstufe, die in Fig. 1 verwendet wird.

In Fig. 1 ist eine Eingangsstufe beispielsweise für einen Microcontroller dargestellt. Ein Microcontroller ist als eine integrierte Schaltung aufgebaut und umfaßt einen Mikroprozessor und mehrere weitere Schaltelemente, wie z.B. Speicherschaltungen (RAM und ROM), Ein- und Ausgabe­ stufen, Steuerschaltungen usw. Ein derartiges System wird beispielsweise zur Steuerung einer Maschine oder einer Komponente einer Datenverarbeitungsanlage eingesetzt.

Die Eingangsstufe in Fig. 1 umfaßt mehrere Schaltungs­ eingänge 1 bis 8, die auf einen Multiplexer 9 führen. Der Multiplexer 9 enthält mehrere Schalter, die von einer hier nicht näher dargestellten Steuerschaltung so gesteuert werden, daß nur ein Schaltungseingang mit dem Ausgang 10 des Multiplexers verbunden ist. Der Ausgang 10 des Multiplexers 9 ist mit einem Analog-Digital-Umsetzer 11 verbunden, der ein digitales Signal mit einer Auflösung von z.B. 8 Bit erzeugt. Dem Analog-Digital-Umsetzer 11 wird noch ein Taktsignal von einer ebenfalls hier nicht näher dargestellten Taktschaltung zugeführt. Der Multi­ plexer 9 kann so gesteuert werden, daß er die an den Schaltungseingängen 1 bis 8 anliegenden analogen Signale zeitlich nacheinander auf den Analog-Digital-Umsetzer 11 gibt (Zeitmultiplexverfahren). Beispielsweise können mit einem solchen Verfahren acht verschiedene Meßwerte erfaßt werden, die im Microcontroller ausgewertet werden.

Es gibt aber auch Anwendungsfälle, wo der Microcontroller nur ein analoges Signal verarbeiten muß. Beispielsweise ist der Schaltungseingang 4 mit dem Ausgang 10 des Multi­ plexers 9 verbunden. Ein Microcontroller weist daher auch eine digitale Koppelschaltung 12 auf, die zum Empfang von digitalen Eingangssignalen vorgesehen ist und die mit den Schaltungseingängen 1 bis 8 verbunden ist. Die Koppel­ schaltung 12 enthält digitale Verarbeitungsstufen 13 bis 20. Hierbei ist jedem Schaltungseingang 1 bis 8 eine digitale Verarbeitungsstufe 13 bis 20 zugeordnet. Den digitalen Verarbeitungsstufen 13 bis 15 und 17 bis 20 werden Binärsignale zugeleitet. Die Verarbeitungsstufe 16, die mit dem Schaltungseingang 4 verbunden ist, erhält ein analoges Signal. Durch Programmsteuerung im Micro­ controller kann nach Durchlauf in der Koppelstufe 12 die zur Verwendung vorgesehenen Binärsignale ausgewählt werden, d.h., daß das von der Verarbeitungsstufe 16 abgegebene Signal nicht weiter verwendet wird.

Eine der digitalen Verarbeitungsstufen 13 bis 20 der Koppelschaltung 12 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung ist hierbei in CMOS-Technik realisiert, wie auch die in Fig. 1 geschilderten rest­ lichen Schaltelemente. Die dargestellten Feldeffekt­ transistoren sind alle selbstsperrend (Anreicherungstyp). Ein Binärsignal wird dem Gate-Anschluß eines P-Kanal-MOS- Feldeffekttransistors 22 zugeführt, dessen Source-Anschluß mit einer Spannungsquelle U, die eine Spannung von 5 Volt liefert, verbunden ist. Das Binärsignal wird auch dem Gate-Anschluß eines N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 23 zugeführt, dessen Drain-Anschluß mit dem Drain-Anschluß des Transistors 22 verbunden ist. Der Source-Anschluß des Transistors 23 ist mit einem Transistor 27 verbunden. Es sei angenommen, daß dieser Transistor 27, der an Masse liegt, leitend ist. Dadurch liegt der Source-Anschluß des Transistors 23 an Masse. Die Transistoren 22 und 23 bilden eine CMOS-Inverterschaltung. Wenn der Zustand des Binär­ signals ein hohes Potential annimmt, sperrt der Transis­ tor 22 und der Transistor 23 ist leitend. Am Ausgang, d.h. am Source-Anschluß des Transistors 22 bzw. am Drain- Anschluß des Transistors 23 ist ein niedriges Potential vorhanden. Wenn das Binärsignal ein niedriges Potential aufweist, ist der Transistor 22 leitend und der Transis­ tor 23 sperrt. Folglich liegt ein hohes Potential am Ausgang der Inverterstufe vor.

Die beiden Transistoren 22 und 23 weisen einen hochohmigen Gate-Anschluß und einen hochohmigen Kanalwiderstand auf. Aufgrund der hochohmigen Kanalwiderstände fließt ein sehr geringer Querstrom durch die beiden Transistoren 22 und 23. Als Querstrom wird hierbei der Strom bezeichnet, der von der Spannungsquelle über den Drain-Anschluß zum Source-Anschluß des Transistors 22 und vom Drain-Anschluß zum Source-Anschluß des Transistors 23 fließt. Ein solcher Querstrom ist dann vorhanden, wenn das Binärsignal von einem niedrigen zu einem hohen Potential bzw. von einem hohen zu einem niedrigen Potential wechselt.

Der Inverterstufe ist eine Schmitt-Trigger-Stufe nachge­ schaltet, die aus einer Inverterstufe mit dem P-Kanal- MOS-Feldeffekttransistor 24 und mit dem N-Kanal-MOS-Feld­ effekttransistor 25 und aus einem P-Kanal-MOS-Feldeffekt­ transistor 26 besteht. Der Gate-Anschluß des Transis­ tors 24 und der Gate-Anschluß des Transistors 25 sind mit dem Drain-Anschluß des Transistors 22 bzw. dem Drain- Anschluß des Transistors 23 verbunden. Des weiteren ist der Source-Anschluß des Transistors 24 an die Spannungs­ quelle U und dessen Drain-Anschluß mit dem Drain-Anschluß des Transistors 25 verbunden. Der Source-Anschluß des Transistors 25 ist an Masse gelegt. Der Gate-Anschluß des Transistors 26 ist mit dem Ausgang der Inverterstufe der Schmitt-Trigger-Stufe, d.h. mit dem Drain-Anschluß des Transistors 24 bzw. dem Drain-Anschluß des Transistors 25 verbunden. Der Source-Anschluß des Transistors 26 ist an die Spannungsquelle U und dessen Drain-Anschluß an den Eingang der Inverterstufe gelegt. Die Schmitt-Trigger- Stufe gibt bei einem Wechsel von einem Zustand des Binär­ signals zu einem anderen Zustand bei Erreichen eines ersten bzw. zweiten Schwellwertes ein binäres Ausgangs­ signal ab mit einem ersten bzw. zweiten Zustand (hohes bzw. niedriges Potential).

Der Inverterstufe, die aus den Transistoren 22 und 23 besteht, kann ein Signal zugeführt werden, das einen solchen Zustand hat, daß einer der Transistoren nicht vollständig gesperrt bzw. vollständig leitend ist. Dieses einen nicht eindeutigen Signalzustand aufweisende Signal erhält mit Hilfe der Schmitt-Trigger-Stufe einen ein­ deutigen Signalzustand. Aufgrund der Mitkopplung mittels des Transistors 26 wird nämlich ein Signal, das z.B. eine nicht vollständige Sperrung bewirkt, in einen solchen Signalzustand gezogen, daß eine vollständige Sperrung erreicht wird.

Der Energieverbrauch der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ist sehr gering, da aufgrund der hochohmigen Kanalwider­ stände der Transistoren 22 und 23 auch bei einem nicht eindeutigen Signalzustand eines Signals ein geringer Querstrom fließt und in der Schmitt-Trigger-Stufe nur bei einem Zustandswechsel ein Querstrom fließt.

Die Inverterstufe aus den Transistoren 22 und 23 bewirkt noch eine Entkopplung zwischen dem Analog-Digital- Umsetzer 11 und der Schmitt-Trigger-Stufe. Die dem Analog-Digital-Umsetzer 11 zugeführten Analogsignale können also von der Schmitt-Trigger-Stufe nicht beeinflußt werden.

Falls eine Verarbeitungsstufe nicht benötigt wird, kann diese durch weitere zusätzliche Schaltelemente vollständig abgeschaltet werden und damit eine weitere Reduzierung des Energieverbrauches bewirkt werden. Der Drain-Anschluß des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 27 ist an den Source-Anschluß des Transistors 23 angeschlossen. Der Source-Anschluß dieses Transistors 27 ist mit Masse verbunden. Dem Gate-Anschluß dieses Transistors 27 wird ein Steuersignal zugeführt, das ebenfalls dem Gate- Anschluß eines weiteren P-Kanal-MOS-Feldeffekt­ transistors 28 zugeführt wird. Der Drain-Anschluß dieses Transistors 28 ist mit dem Ausgang der aus den Transistoren 22 und 23 bestehenden Inverterstufe verbunden und dessen Source-Anschluß mit der Spannungsquelle. Wenn die Verarbeitungsstufe ein Binärsignal verarbeiten soll, ist der Transistor 27 leitend und der Transistor 28 gesperrt, d.h. das Steuersignal weist ein hohes Potential auf. Wenn die Inverterstufe mit den Transistoren 22 und 23 abgeschaltet wird, weist das Steuersignal ein niedriges Potential auf und der Transistor 27 ist gesperrt und der Transistor 28 leitend. Hiermit wird bewirkt, daß kein Strom durch die Transistoren 22 und 23 fließen kann.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung in CMOS-Technik zum Empfang von analogen Eingangssignalen mit mehreren Schaltungs­ eingängen (1 bis 8), die mit einem Multiplexer (9) und einem nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzer (11) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseingänge (1 bis 8) mit einer zum Empfang von digitalen Signalen dienenden Koppelschaltung (12) gekoppelt sind, deren Eingängen jeweils eine Verarbeitungsstufe (13 bis 20) zugeordnet ist, die an ihrem Eingang eine Inverter­ stufe (22, 23) und eine nachgeschaltete, das Ausgangs­ signal der Verarbeitungsstufe erzeugende Schmitt-Trigger- Stufe (22 bis 26) aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverterstufe einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (22) und einen N-Kanal- MOS-Feldeffekttransistor (23) enthält, die jeweils einen hochohmigen Kanalwiderstand aufweisen, und daß der Drain- Anschluß des P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors (22) und der Drain-Anschluß des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransis­ tors (22) den Ausgang und der gemeinsame Gate-Anschluß der beiden Transistoren den Eingang der Inverterstufe bilden.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmitt-Trigger-Stufe eine das Ausgangssignal der Inverterstufe erhaltende weitere Inverterstufe (24, 25) enthält, deren Ausgang mit dem Gate-Anschluß eines P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors (26) verbunden ist, dessen Drain-Anschluß mit dem Eingang des weiteren Inverters (24, 25) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Steuer­ transistor (27) (N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor), dessen Drain-Anschluß mit dem Source-Anschluß des N-Kanal-MOS- Feldeffekttransistors (23) der Inverterstufe verbunden ist, und ein zweiter Steuertransistor (28) (P-Kanal-MOS- Feldeffekttransistor), dessen Drain-Anschluß mit dem Ausgang der Inverterstufe (22, 23) verbunden ist, die Inverterstufe (22, 23) bei Erhalt eines Steuersignals an dem jeweiligen Gate-Anschluß der beiden Steuertransis­ toren (27, 28) abschaltet.