DE602004003662T2

DE602004003662T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Konvertieren eines PWM-Signals zu einer analogen Ausgangsspannung

Info

Publication number: DE602004003662T2
Application number: DE602004003662T
Authority: DE
Inventors: Andre Mourrier
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: ATE348450T1; US7382301B2; DE602004003662D1; US20050093730A1; EP1528685A3; EP1528685A2; EP1528685B1

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Titel „BLOWER STRUCTURE WITH CONVERSION OF PWM DUTY CYCLE TO OUTPUT VOLTAGE" und der laufenden Nummer 60/516,202, die am 31. Oktober 2003 eingereicht wurde.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln eines PWM-Signals (pulsweitenmodulierten Signals) in ein analoges Ausgangssignal. PWM-Signale weisen einen Arbeitszyklus auf, der dem Verhältnis der Zeit, zu der der Impuls aus ist, zur Zeitdauer des pulsweitenmodulierten Signals gemäß der PWM-Frequenz entspricht. Der Arbeitszyklus muss häufig in ein Analogsignal umgewandelt werden, um eine analoge Einrichtung (beispielsweise einen Motor, wie z.B. der Motor einer Gebläsekonstruktion in einem Fahrzeug) zu steuern.
Hierfür gibt es allgemein bekannte Verfahren. Bei einem bestehenden System ist eine Divisionsoperation umgesetzt. Zum Decodieren des PWM-Signals wird eine mathematische Divisionsoperation ausgeführt. Ein derartiges System misst die Periodendauer des PWM-Signals und die Dauer des niedrigen Signalpegels und führt eine Division der Periodendauer durch die Gesamtperiodendauer (Summe der Zeiten mit hohem und mit niedrigem Pegel) aus, um den Arbeitszykluswert zu ermitteln. Das Anlegen einer Divisionsoperation in Silizium ist jedoch häufig schwierig und komplex.
Ein anderes System verwendet einen Phasenregelkreis (PLL = Phase Locked and Loop). Die Umsetzung eines PLL gestaltet sich jedoch ebenfalls komplex.
Eine andere einfachere Lösung ist ein Widerstand-Kondensator-(RC = Resistor Capacitor) Netzwerk. Diese Lösung ist zwar sehr einfach, aber der RC-Wert muss an die spezifische PWM-Frequenz angepasst werden und stellt somit keine universelle Lösung dar.
Des Weiteren ist aus dem Dokument DE 198 09 334 ein Verfahren für die Ansteuerung eines analogen Bauteils bekannt.
Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein System zum Umwandeln eines PWM-Signals in ein analoges Ausgangssignal bereitzustellen, und insbesondere ein System zum Umwandeln des PWM-Arbeitszykluswertes in ein Analogsignal, das von der PWM-Eingangsfrequenz sowie von jeder Schwankung der Taktgebersignalfrequenz unabhängig ist.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt umfasst die Erfindung einen Schaltkreis zum Umwandeln eines Arbeitszyklus eines pulsweitenmodulierten Signals in einen analogen Wert, der einen Taktsignalerzeuger zum Erzeugen eines Taktsignals, einen Fenstererzeugungsschaltkreis zum Erzeugen eines Fenstersignals, das mit dem pulsweitenmodulierten Signal synchronisiert ist, das ein Fenster mit einem Fensterbeginn und einem Fensterende aufweist, einen Zählertreiberschaltkreis, der das Taktsignal, das pulsweitenmodulierte Signal und das Fenstersignal empfängt und ein Zählereingangssignal erzeugt, einen Zählerschaltkreis zum Zählen von Impulsen des Zählereingangssignals und zum Bereitstellen einer Zählerausgabe, einen Rücksetzschaltkreis zum Rücksetzen des Zählers beim Beenden des Fensters und einen Digital-Analog-Wandler zum Umwandeln der Zählerausgabe in den analogen Wert beim Beenden des Fensters aufweist.
Gemäß einem anderen Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln eines Arbeitszyklus eines pulsweitenmodulierten Signals in einen analogen Wert, das Folgendes aufweist: Erzeugen eines Taktsignals, Erzeugen eines Fenstersignals, das mit dem pulsweitenmodulierten Signal synchronisiert ist, das ein Fenster mit einem Fensterbeginn und einem Fensterende aufweist, Empfangen des Taktsignals, des pulsweitenmodulierten Signals und des Fenstersignals und Erzeugen eines Zählereingangssignals, Zählen von Impulsen des Zählereingangssignals und Bereitstellen einer Zählerausgabe, Rücksetzen des Schrittes des Zählens beim Beenden des Fensters und Umwandeln der Zählerausgabe beim Beenden des Fensters in den analogen Wert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein digitaler Decoder ohne Divisionsoperation bereitgestellt. Dieser Decoder besitzt einen Taktgeber, der ein Fenstersignal mit fester Breite erzeugt, das als Berechnungsfenstersignal bezeichnet wird. Das Fenster ist zwar fest mit der Taktgeberfrequenz verbunden, ändert sich jedoch invers zu dieser. Auf diese Weise verkleinert sich das Fenster, wenn sich die Taktfrequenz erhöht, und umgekehrt, wodurch der Zähler für den gleichen Arbeitszyklus bis zum gleichen Wert zählen kann, was den Schaltkreis von Schwankungen bei der Taktfrequenz unabhängig macht. Das Fenstersignal wird mit der ansteigenden Flanke des PWM-Eingangssignals synchronisiert. Es könnte auch auf andere Weise synchronisiert werden. Der Zähler kann nur während des Berechnungsfensters und nur während der Dauer eines PWM-Impulses, d.h. während des Arbeitszyklusabschnittes der PWM-Periodendauer, zählen. Wenn das Berechnungsfenstersignal endet, überträgt ein Signalspeicher (Latch) den Ausgangswert des Zählers an einen Digital-Analog-Wandler. Das Ergebnis der Umwandlung ist direkt proportional zu dem PWM-Arbeitszyklus. Nach einer Verzögerung wird der Zähler gelöscht, und der Berechnungsvorgang kann wieder für den nächsten PWM-Impuls beginnen.
Dementsprechend ist das Endergebnis nicht von der Taktgeberfrequenz oder der PWM-Frequenz abhängig, sondern nur von dem Verhältnis zwischen dem Berechnungsfenster, der Taktgeberfrequenz und dem PWM-Arbeitszyklus. Selbst bei einer nicht ganz genauen internen Frequenz kann ein guter PWM-Wandler konstruiert werden. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, muss die Taktgeberfrequenz höher sein als die maximal zulässige PWM-Frequenz.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei einer Durchsicht der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein schematisches Schaltbild des Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, der das PWM-Signal in einen analogen Ausgangswert umwandelt,
2 ein Zeitdiagramm für den Schaltkreis aus 1 zeigt und
3 beispielhafte PWM-Eingangssignale und das Berechnungsfenster zeigt und veranschaulicht, wie der Schaltkreis einen von der PWM-Frequenz unabhängigen Wert bereitstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 das schematische Schaltbild des Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung, der den PWM-Arbeitszyklus in ein analoges Ausgangssignal decodiert und so den PWM-Arbeitszyklus in einen analogen Wert umwandelt. Der Decodierschaltkreis besitzt einen Taktgeber 8, der ein Taktgebersignal erzeugt. Siehe 2. Das Taktsignal wird von dem Synchronisierschaltkreis 1 mit der ansteigenden Flanke des PWM-Signals synchronisiert. Das PWM-Eingangssignal besitzt, wie gezeigt, eine Periodendauer T und einen Arbeitszyklusabschnitt DC. Der Synchronisierschaltkreis 1 erzeugt einen Ausgang OUTCLK, der mit einer ansteigenden Flanke des PWM-Eingangssignals synchronisiert ist. Der Ausgang des Synchronisierschaltkreises 1 ist mit dem Eingang des Schaltkreises 2 zur Erzeugung des Berechnungsfensters gekoppelt, bei dem es sich beispielsweise um einen monostabilen Schaltkreis handeln kann. Sein Ausgangswert ist ein Berechnungsfenstersignal WINDOWOUT, das für eine bestimmte Taktfrequenz ein Fenster von fester Dauer aufweist. Siehe 2. Das Fenster ist zwar fest mit der Taktgeberfrequenz verbunden, ändert sich jedoch invers zu dieser. Auf diese Weise verkleinert sich das Fenster, wenn sich die Taktfrequenz erhöht, und umgekehrt, wodurch der Zähler für den gleichen Arbeitszyklus bis zum gleichen Wert zählen kann, was den Schaltkreis von Schwankungen bei der Taktfrequenz unabhängig macht.
Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die Dauer des Berechnungsfensters ungefähr 1/Taktgeberfrequenz/4000. Die Taktgeberfrequenz beträgt beispielsweise 60 kHz.
Das Signal WINDOWOUT, das PWM-Eingangssignal und das Taktgebersignal CLK werden dem Logikgatter 3 (bei der gezeigten Ausführungsform einem UND-Gatter 3) zugeführt. Der Zähler 4 wird von dem UND-Gatter 3 aktiviert und zählt die Taktgeberimpulse vom Taktgeber 8 nur in dem Zeitraum, in dem sowohl das Berechnungsfenstersignal als auch das PWM-Signal groß (high) ist. Siehe Signal A in den 1 und 2. Die Taktimpulse werden daher von dem Zählerschaltkreis 4 nur in dem Zeitraum des PWM-Eingangssignalimpulses, d.h. während des Arbeitszyklusabschnittes des PWM-Eingangsimpulses, gezählt und nur während des Berechnungsfensters. Wenn das Berechnungsfenstersignal auf einen niedrigen Wert abfällt, wird der Zähler zurückgesetzt und hört nach einer geringen Verzögerung aufgrund des am Rücksetzeingang von der Verzögerungsschaltung 7 bereitgestellten invertierten Fenstersignals mit dem Zählen auf. Kurz vor dem Rücksetzen wird der Zählerausgangswert vom Signalspeicher (Latch) 5 zwischengespeichert und an einen Digital-Analog-Wandler 6 übertragen. Das Ergebnis der Umwandlung ist direkt proportional zu dem PWM-Arbeitszyklus. Wenn der Ausgang des Erzeugers 2 des Berechnungsfensters abfällt, geht dessen inverser Ausgangswert auf einen hohen Wert über, und die Verzögerungsstufe 7 setzt den Zähler zurück. Der Signalspeicher 5 wird von dem gleichen inversen Ausgangssignal getaktet, damit er auf dem Ausgangswert des Zählers kurz vor dem Rücksetzen des Zählers einrastet. Wenn der Zähler von der Verzögerungsschaltung 7 zurückgesetzt worden ist, kann die Fensterberechnungssequenz an der nächsten ansteigenden PWM-Flanke erneut beginnen.
Das Endergebnis hängt weder von der Taktgeberfrequenz noch von der PWM-Frequenz ab. Es hängt lediglich von dem Verhältnis zwischen dem Berechnungsfenster, der Taktgeberfrequenz und dem PWM-Arbeitszyklus ab. Auch bei einer nicht ganz genauen Taktgeberfrequenz kann noch ein guter PWM-Wandler bereitgestellt werden. Um eine gute Genauigkeit zu bekommen, muss die Taktgeberfrequenz höher sein als die maximal zulässige PWM-Frequenz.
2 zeigt Signalformen des Schaltkreises aus 1. Das Taktsignal CLK ist gezeigt. Es ist das PWM-Eingangssignal gezeigt, das ursprünglich nicht mit der Taktfrequenz synchronisiert ist. Bei dem Ausgang des Schaltkreises 1 handelt es sich um das in 2 gezeigte synchronisierte Signal OUTCLK. Das Fenstersignal WINDOWOUT ist ebenfalls gezeigt. Der Ausgangswert des UND-Gatters 3 (Signal A) enthält nur während des Berechnungsfensters und nur während der Dauer des PWM-Arbeitszyklus Taktimpulse. Der Zähler 4 zählt diese Taktimpulse um eine zum Arbeitszyklus proportionale Zählung zu erzeugen, die dann von dem Signalspeicher 5 zwischengespeichert und von dem Digital-Analog-Wandler 6 in einen analogen Wert umgewandelt wird.
3 veranschaulicht, wie der Ausgangswert von der PWM-Frequenz unabhängig ist. 3 zeigt zwei PWM-Eingangsfrequenzen: eine bei 50 Hz mit einem Arbeitszyklus von 50% und eine weitere bei 100 Hz mit einem Arbeitszyklus von 50%. Das Berechnungsfenster hat eine (von dem Taktgeber) festgelegte Dauer von 65 ms. Für das 50-Hz-Signal zählt der Zähler 4 Taktimpulse für 3,5 Arbeitszyklusabschnitte des PWM-Signals, die jeweils einen Arbeitszyklusabschnitt von 10 ms, d.h. insgesamt 35 ms, ausmachen.
Für das 100-Hz-PWM-Signal zählt der Zähler 4 Taktimpulse im Verlauf von insgesamt 7 Arbeitszyklusabschnitten des PWM-Signals, die ebenfalls 35 ms ausmachen, da jeder Arbeitszyklusabschnitt 5 ms lang ist. In jedem Fall wurde der gleiche Arbeitszyklus (beispielsweise 50%) für eine andere PWM-Frequenz in den gleichen Zählerwert und somit in den gleichen analogen Endausgangswert umgewandelt.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden für den Fachmann jedoch viele andere Variationen und Modifikationen und andere Verwendungszwecke ersichtlich sein. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht durch die hier gegebene spezifische Offenbarung eingeschränkt werden, sondern nur durch die beiliegenden Ansprüche.

Claims

Ein Schaltkreis zum Umwandeln eines Arbeitszyklus eines pulsweitenmodulierten Signals in einen analogen Wert, aufweisend: einen Taktsignalerzeuger (8) zum Erzeugen eines Taktsignals; einen Fenstererzeugungsschaltkreis (2) zum Erzeugen eines Fenstersignals, das mit dem mit pulsweiten-modulierten Signal synchronisiert ist, das ein Fenster mit einem Fensterbeginn und einem Fensterende aufweist; einen Zählertreiberschaltkreis (3), der das Taktsignal, das pulsweitenmodulierte Signal und das Fenstersignal empfängt und ein Zählereingangssignal erzeugt; einen Zählerschaltkreis (4) zum Zählen von Impulsen des Zählereingangsignals und zum Bereitstellen einer Zählerausgabe; einen Rücksetzschaltkreis (7, 4) zum Rücksetzen des Zählers beim Beenden des Fensters; und einen Digital-Analog-Wandler (6) zum Umwandeln der Zählerausgabe in den analogen Wert beim Beenden des Fensters.
Der Schaltkreis nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Schaltkreis (1) zum Synchronisieren des pulsweitenmodulierten Signals mit dem Taktsignal.
Der Schaltkreis nach Anspruch 2, ferner aufweisend einen Latchschaltkreis (5) zum Zwischenspeichern der Zählerausgabe und zum Bereitstellen einer zwischengespeicherten Zählerausgabe an den Digital-Analog-Wandler.
Der Schaltkreis nach Anspruch 3, wobei der Rücksetzschaltkreis (7, 4) einen Schaltkreis (7) zum Bereitstellen eines Rücksetzsignals an den Zählerschaltkreis (4) zum Rücksetzen des Zählerschaltkreises (4) umfasst.
Der Schaltkreis nach Anspruch 4, ferner aufweisend einen Schaltkreis zum Setzen des Latchschaltkreises (5) beim Beenden des Fensters.
Der Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei das Fenster eine feste Zeitdauer von Beginn bis Ende für eine festgelegte Taktsignalfrequenz ist.
Der Schaltkreis nach Anspruch 6, wobei die feste Zeitdauer des Fensters umgekehrt zur Taktsignalfrequenz variiert.
Der Schaltkreis nach Anspruch 3, ferner aufweisend einen Verzögerungsschaltkreis (7) zum Rücksetzen des Zählerschaltkreises (4) nach Zwischenspeichern der Zählerausgabe durch den Latchschaltkreis (5).
Der Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Zählerschaltkreis (4) Taktimpulse des Taktsignals nur während des Fensters des Fenstersignals und nur während eines Arbeitszyklusteilbereiches des pulsweitenmodulierten Signals zählt.
Der Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei die Zählerausgabe unabhängig von der Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals und des Taktsignals ist.
Ein Verfahren zum Umwandeln eines Arbeitszyklus eines pulsweitenmodulierten Signals in einen analogen Wert, aufweisend: Erzeugen eines Taktsignals; Erzeugen eines Fenstersignals, das mit dem pulsweitenmodulierten Signal synchronisiert ist, das ein Fenster mit einem Fensterbeginn und einem Fensterende aufweist; Empfangen des Taktsignals, des pulsweitenmodulierten Signals und des Fenstersignals und Erzeugen eines Zählereingangsignals; Zählen der Impulse des Zählereingangsignals und Bereitstellen einer Zählerausgabe; Rücksetzen des Schrittes des Zählens beim Beenden des Fensters; und Umwandeln der Zählerausgabe beim Beenden des Fensters in den analogen Wert.
Das Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend Synchronisieren des pulsweitenmodulierten Signals mit dem Taktsignal.
Das Verfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend Zwischenspeichern der Zählerausgabe und Bereitstellen einer zwischengespeicherten Zählerausgabe zum Umwandeln in den analogen Wert.
Das Verfahren nach Anspruch 13, ferner aufweisend Bereitstellen eines Rücksetzsignals, um den Schritt des Zählens rückzusetzen.
Das Verfahren nach Anspruch 14, ferner aufweisend Zwischenspeichern der Zählerausgabe beim Beenden des Fensters.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Fenster eine feste Zeitdauer für eine festgelegte Taktsignalfrequenz ist.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei die feste Zeitdauer des Fensters umgekehrt zur Taktsignalfrequenz variiert.
Das Verfahren nach Anspruch 13, ferner aufweisend Rücksetzen des Schrittes des Zählens nach dem Zwischenspeichern der Zählerausgabe.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Zählens der Impulse des Zählereingangsignals das Zählen der Taktimpulse des Taktsignals nur während des Fensters des Fenstersignals und nur während eines Arbeitszyklus des pulsweitenmodulierten Signals aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Zähler-ausgabe unabhängig von der Frequenz des pulsweiten-modulierten Signals und des Taktsignals ist.