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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Analog-Digital-Wandler. Insbesondere
richtet sich die vorliegende Erfindung auf die Kalibrierung von
isolierten Analog-Digital-Wandlern.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Messdaten,
die von isolierten Analog-Digital-Wandlern (ADCs) in mehreren Datenkanälen gesammelt
werden, können
in Beziehung stehen. Daten von den isolierten ADCs können zu
einer Mikrosteuereinheit oder einem programmierbaren Logikbauelement
zur zentralisierten Verarbeitung übertragen werden. Die Verstärkung und
der Versatz von einzelnen Kanälen
relativ zueinander ist ein Problem, das Aufmerksamkeit erfordern
kann. Solche Anwendungen sind genaue, kostenanfällige Anwendungen, wobei das
Ausstatten jedes ADC mit einer genauen Referenz keine erschwingliche
Lösung
darstellt.
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Von
ADCs ist bekannt, dass sie in Anwendungen, die verschiedenen Spannungspegeln
unterliegen, eine Isolation benötigen.
Die Referenzspannung eines ADC ist nicht notwendigerweise dieselbe wie
die Referenzspannung, die von einem äußeren Beobachter (z.B. relativ
zur absoluten Erdung) beobachtet werden würde. Überdies kann der Aufzeichnungsanlagenprozessor,
der mit einem ADC verwendet wird, mit einer anderen Spannungsversorgung arbeiten
und die verschiedenen Spannungsversorgungen können sowohl hinsichtlich der
Spannungspegel als auch der Spannungsversorgungseigenschaften sehr
unterschiedlich sein.
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Bei
einem Leistungsmesschip, der verwendet wird, um den Leistungsverbrauch
(z.B. in einem Heim- oder Geschäftsmesssystem)
mit ein oder drei Phasen zu messen, kann beispielsweise eine Erdleitung
und eine spannungsführende
Leitung vorgesehen sein. Die spannungsführende Leitung kann ein Potential,
beispielsweise 220 Volt, gegenüber
der neutralen Leitung aufweisen. Um eine Messung an der Erd- oder
neutralen Leitung durchzuführen
und gleichzeitig eine Messung an der spannungsführenden Leitung durchzuführen, muss
das ADC-Vorfeld äußerst unterschiedliche
Spannungspegel (d.h. die Spannungsreferenz zur spannungsführenden
Leitung, wie z.B. 220 Volt absolut und eine Erdreferenz) aufnehmen
können.
Die Messvorrichtung und der Datenprozessor können elektrisch voneinander
isoliert sein müssen.
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Auf
dem Fachgebiet ist es bekannt, Isolationskondensatoren als Isolationssperre
in Systemen mit mehreren Verbindungen zu verwenden. Ein Transformator
oder eine andere Isolationsvorrichtung kann auch verwendet werden,
um den ADC von der Mikrosteuereinheit oder dem programmierbaren
Logikbauelement zu isolieren. Solche Isolationssperren können es
jedoch schwierig machen, den ADC zu kalibrieren, da die Mikrosteuereinheit
oder das programmierbare Logikbauelement Schwierigkeiten haben können, ein
genaues Spannungsreferenzsignal über
die Isolationsperre zu senden.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Messsystems 9 des Standes der Technik.
Solche Messsysteme können
verwendet werden, um verschiedene analoge Parameter in Umgebungen
zu messen, in denen eine Spannungsisolation erforderlich ist. Bei der
Heimleistungsmessung kann beispielsweise eine Messvorrichtung (Vorrechner)
eine Leistung bei einer Netzspannung (z.B. 220 Volt) messen und
eine gewisse Form von Isolation kann erforderlich sein, um den Benutzer
und Prozessor (Vorrechner) zu schützen, der sich auf einem viel
niedrigeren Potential befinden kann. In medizinischen Systemen kann
ebenso eine Spannungsisolation als Ausfallschutz erforderlich sein,
um zu verhindern, dass ein Patient aufgrund von Potentialdifferenzen
zwischen verschiedenen medizinischen Überwachungsvorrichtungen, die mit
einem Patienten verbunden sind, einen elektrischen Schlag erhält.
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Mit
Bezug auf 1 kann das Messsystem 9 einen
Digitalsignalprozessor (DSP) 11, einen Verbindungschip 12,
einen Kondensator C1 13, einen Analog-Digital-Wandler (ADC)
und Verbindungschip 15 und einen Sensor 16 umfassen.
Der Sensor 16 kann einen beliebigen einer Anzahl von bekannten
analogen Sensoren zum Messen eines speziellen Parameters (z.B. Temperatur,
Druck, Spannung, Stromstärke,
Leistungsverbrauch oder dergleichen) umfassen.
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Der
Analog-Digital-Wandler (ADC) und der Verbindungschip 15 können das
analoge Ausgangssignal des Sensors 16 in einen digitalen
Wert (typischerweise einen Ein-Bit-Datenstrom) umwandeln und geben
diesen Datenstrom über
einen Verbindungschip 12 und einen Isolationskondensator 13 an einen
Digitalsignalprozessor (DSP) 11 aus. Es kann sein, dass
zusätzlich
zu den digitalen Datenwerten, die vom Analog-Digital-Wandler (ADC)
und Verbindungschip 15 zum Digitalsignalprozessor (DSP) 11 übertragen
werden, andere Signale zwischen den zwei Chips ausgetauscht werden
müssen.
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Taktsignale
und Steuersignale (einschließlich
Kalibrierungssignalen oder Spannungspegeln) können beispielsweise vom Digitalsignalprozessor (DSP) 11 zum
Analog-Digital-Wandler (ADC) über den
Verbindungschip 15 übertragen
werden. Außerdem
kann es sein, dass der Digitalsignalprozessor (DSP) 11 eine
Versorgungsspannung über
den Verbindungschip 15 zum Analog-Digital-Wandler liefern muß. Im Stand
der Technik können
zusätzliche
Signalleitungen für
solche zusätzlichen
Signale erforderlich sein, was die Komplexität und Kosten der Vorrichtung
erhöht.
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Bei
vielen Anwendungen kann es erforderlich sein, den Analog-Digital-Wandler
(ADC) vom Verbindungschip 15 und vom Digitalsignalprozessor (DSP) 11 aufgrund
von Differenzen im Spannungspotential zu isolieren. Ein Isolationskondensator 13 kann
verwendet werden, um das Spannungspotential zwischen dem Analog-Digital-Wandler
und dem Verbindungschip 15 und dem Digitalsignalprozessor (DSP) 11 zu
isolieren.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Messsystems 19 des Standes
der Technik. Das Messsystem 19 umfasst eine digitale anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC) oder ein programmierbares Logikbauelement
(PLD) 21 wie z.B. einen Digitalsignalprozessor und Verbindungschip,
einen Widerstand 22, einen Kondensator 23, einen
Transformator 24, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 25 und
einen Kondensator 26.
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Die
ASIC oder das PLD 21 können
einen Sender 27 und Empfänger 29 umfassen,
die über
einen Schalter 28 miteinander gekoppelt sind. Daten können selektiv über die
Verbindung zwischen der ASIC oder dem PLD 21 und dem ADC 25 gesendet und
empfangen werden. Außerdem
kann die ASIC oder das PLD 21 über eben diese Verbindung Leistung
zum ADC 25 liefern.
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Der
ADC 25 kann eine Diode 30 und einen Gleichrichter 31 umfassen.
Signale von der Sekundärwicklung 33 des
Transformators 24 können
durch den Gleichrichter 31 und die Diode 30 gleichgerichtet werden,
um eine Spannung für
einen Kondensator 26 zu erzeugen, die wiederum die Spannungsversorgung
für den
ADC 25 ist.
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Wie
im Ausführungsbeispiel
von 1 kann der Sender 27 eine Rechteckwelle
zur Primärwicklung 32 des
Transformators 24 senden, welche durch den Kondensator 23 vom
Transformator 24 teilweise gesperrt oder verzerrt werden
kann. Der ADC 25 kann während
einer Operation mit drei Zuständen eine
Pause erfassen und übernimmt
die Datenverbindung, wobei er Daten und einen Zustand zum Empfänger 29 zurücksendet.
Während
dieser Übernahmeperiode
kann jedoch die Spannung an der Spannungsversorgung 26 signifikant
abfallen, wenn viele Bits übertragen
werden, und volle Logikpegel können
sich nicht wieder herstellen.
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Außerdem kann
ein isolierter ADC eine genaue rauscharme Referenzspannung beispielsweise von
einer Mikrosteuereinheit erfordern. wenn der ADC in CMOs ausgeführt ist,
kann eine Spannungsreferenz mit äußerster
Qualität
für den
ADC erforderlich sein, um analoge Werte genau zu messen. Die CMOS-Schaltung
kann für
eine Drift aufgrund von Temperaturschwankungen und dergleichen sowie eine
anfängliche
Messgenauigkeit anfälliger
sein.
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Um
eine absolut genaue Umwandlung mit einem isolierten ADC durchzuführen, kann
es ferner erforderlich sein, eine genaue rauscharme Referenzspannung über die
Isolationssperre zu senden. Wenn der RDC in CMOS ausgeführt ist,
kann eine Spannungsreferenz mit äußerster
Qualität
für den
ADC erforderlich sein, um analoge Werte genau zu messen. Die CMOS-Schaltung
kann für
eine Drift aufgrund von Temperaturschwankungen und dergleichen sowie
eine anfängliche
Messgenauigkeit anfälliger
sein. Eine bessere Referenz kann daher auf der isolierten Seite
implementiert werden.
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Bei
einigen Anwendungen kann es überdies erforderlich
sein, mehrere isolierte ADCs mit genau abgeglichenen Verstärkungen
zum Erfassen von in Beziehung stehenden Signalen bereitzustellen,
so dass von den Umwandlungsdaten bekannt ist, dass sie exakt im
gleichen Maßstab
liegen. Diese können ratiometrische
Messungen zwischen mehreren isolierten Punkten sein. Verfahren des
Standes der Technik können
separate Chips für
jede ADC-Seite verwenden, um ein Referenzsignal vorzusehen. Eine solche
Lösung
erzeugt jedoch zusätzliche
Kosten und erhöht
die Komplexität
und Größe der gesamten Schaltung.
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EP-A-1081861
zeigt ein isoliertes ADC-System mit zwei ADCs; ein Korrekturfaktor
wird berechnet und verwendet, um die Verstärkung von einem der zwei ADCs
einzustellen, um sie an die des anderen anzupassen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Zusammenhängende Messdaten,
die von isolierten Analog-Digital-Wandlern
in mehreren Kanälen
gesammelt werden, können
zu einem Mikroprozessor oder einem programmierbaren Logikbauelement
zur zentralisierten Verarbeitung übertragen werden, um ausgewählte Verstärkungs-
und Versatzeffekte zu beseitigen, die den verschiedenen Analog-Digital-Wandlern
in den verschiedenen Kanälen gemeinsam
sind, wobei die Folgen von Drift in den verschiedenen Kanälen beseitigt
werden.
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Insbesondere
wird ein Paar von Präzisionswiderständen bereitgestellt,
um die verschiedenen Kanäle
zu kalibrieren. Die ADCs können
im Werk kalibriert werden und das Verhältnis zwischen den zwei Präzisionswiderständen kann
innerhalb der ADCs gespeichert werden. Die ADCs können sich später durch
Vergleichen ihrer relativen Verstärkungen mit dem gespeicherten
Widerstandsverhältnis
selbst kalibrieren. Die Verstärkung
von einem der ADCs kann relativ zum anderen eingestellt werden,
um eine relative Verstärkungskalibrierung
aufrechtzuerhalten. Obwohl die absolute Verstärkung für spezielle Anwendungen nicht
kalibriert wird (da die Widerstände isoliert
sind), ist nur die relative Verstärkung zwischen den ADCs relevant.
Somit stellt die vorliegende Erfindung eine kosteneffiziente und
einfache Lösung
für die
Kalibrierung der relativen Verstärkung
zwischen isolierten ADCs bereit.
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Das
System verwendet einen ersten und einen zweiten Sensor zum Empfangen
von jeweiligen ersten und zweiten analogen Signalen. Die Signale von
den jeweiligen Sensoren können
mit jeweiligen ersten und zweiten Analog-Digital-Wandlern in digitale
Gegenstücksignale
umgewandelt werden.
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Entsprechende
erste und zweite Transformatoren koppeln die separaten Signalströme in ein Datenverarbeitungssystem,
das mit dem ersten und dem zweiten Transformator verbunden ist,
wobei die Transformatoren die Datenverarbeitungssysteme von den
jeweiligen Analog-Digital-Wandlern isolieren.
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Der
erste und der zweite Analog-Digital-Wandler können auf jeweilige lokale Erdungen
bezogen sein, die auf sehr unterschiedlichen Potentialen liegen
können.
Im normalen Betrieb können
die jeweiligen Analog-Digital-Wandler chipinterne CMOS-Bandabstandsreferenzen
verwenden. Diese Referenzen weisen relativ hohe Temperaturdrift-
und Zeitdriftkennlinien auf. Solche Referenzen können mit genau abgeglichenen
Eingangssignalen vom ersten und vom zweiten Widerstand kalibriert
werden.
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Die
Widerstände
können
auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden, das sich durch gute
Wärmeleitungs-
und elektrische Isolationseigenschaften auszeichnet. Chips mit einem
ADC können mit
Silizium-Wärmemessern
versehen werden.
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Die
Vorrichtung kann dann einer Werkskalibrierung bei zwei Temperaturen
unterzogen werden. Die Verhältnisänderung
des ersten und des zweiten Widerstandes über die Temperatur und Zeit
kann geringer als 100 ppm sein.
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Da
der erste und der zweite Widerstand im Wesentlichen denselben Strom
führen
und die ADCs nicht viel Strom vom ersten und vom zweiten Widerstand
entnehmen, wird ein Paar von hinsichtlich des Verhältnisses
abgeglichenen Spannungen mit dem ersten und dem zweiten Widerstand
für die
Kalibrierung der CMOS-Bandabstandsreferenzen in den jeweiligen ADCs
auf das vorstehend erwähnte
gewünschte
Genauigkeitsniveau hergestellt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Messsystems des Standes der Technik.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Messsystems
des Standes der Technik.
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3 ist
ein Blockdiagramm eines isolierten Analog-Digital-Wandler-Systems der vorliegenden Erfindung
mit zwei Kanälen.
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4 ist
ein Blockdiagramm eines isolierten Analog-Digital-Wandler-Systems der vorliegenden Erfindung
mit zwei Kanälen,
das in einer Leistungsmessanwendung dargestellt ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit
Bezug auf 3 ist ein Blockdiagramm eines
isolierten Analog-Digital-Wandler-Systems 139 mit zwei
Kanälen
gezeigt, wobei die Analog-Digital-Wandler 143 und 153 vom
Mikroprozessor oder programmierbaren Logikbauelement 141 durch
einen ersten bzw. zweiten Transformator 142 und 152 isoliert
sind.
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Das
System 139 umfasst einen Mikroprozessor oder ein programmierbares
Logikbauelement 141, der/das mit dem ersten und dem zweiten
Analog-Digital-Wandler 143 und 153 über jeweilige
erste und zweite Transformatoren 142 und 152 gekoppelt ist.
Ein Strombegrenzungs-/-isolationswiderstand RL 145 kann
den Gesamtstrom begrenzen und die zwei Kalibrierungswiderstände R1 144 und R2 146 voneinander
isolieren. Der erste und der zweite Kalibrierungswiderstand R1 144 und R2 146 können mit
den Eingängen
der Analog-Digital-Wandler 143 bzw. 153 gekoppelt
sein.
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Der
erste und der zweite Analog-Digital-Wandler 143 und 153 können auf
jeweilige lokale Erdungen GND1 und GND2 bezogen sein, die auf sehr
unterschiedlichen Potentialen liegen können. Im normalen Betrieb können die
jeweiligen Analog-Digital-Wandler 143 und 153 chipinterne
CMOS-Bandabstandsreferenzen
verwenden. Diese Referenzen weisen relativ hohe Temperaturdrift-
und Zeitdriftkennlinien auf. Solche Referenzen können mit genau abgeglichenen
Eingangssignalen vom ersten und vom zweiten Widerstand 144 und 146 kalibriert
werden.
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Die
Widerstände 144 und 146 können auf
einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden, das sich durch gute
Wärmeleitungs-
und elektrische Isolationseigenschaften auszeichnet. Chips mit den ADCs 143 und 153 können mit
Silizium-Wärmemessern
versehen werden. Die Vorrichtung kann dann einer Werkskalibrierung
bei zwei Temperaturen unterzogen werden. Die Verhältnisänderung
des ersten und des zweiten Widerstandes über die Temperatur und Zeit
kann geringer als 100 ppm sein.
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Da
der erste und der zweite Widerstand im Wesentlichen denselben Strom
führen,
wobei die ADCs nicht viel Strom vom ersten und vom zweiten Widerstand
entnehmen, wird ein Paar von hinsichtlich des Verhältnisses
abgeglichenen Spannungen mit dem ersten und dem zweiten Widerstand
für die Kalibrierung
der CMOS-Bandabstandsreferenzen in den jeweiligen ADCs auf das vorstehend
erwähnte gewünschte Genauigkeitsniveau
hergestellt. Somit wird eine kostengünstige Alternative für die Kalibrierung
von isolierten ADCs in mehreren Verstärkungskanälen unter Verwendung von mehreren
genauen Referenzen bereitgestellt.
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Die
vorliegende Erfindung hat spezielle Anwendung in Fällen, in
denen mehrere ADCs genau abgeglichene Verstärkungen aufweisen müssen. Ein Beispiel
dafür ist
ein Reststrombauelement, das dazu ausgelegt ist, eine kleine Differenz
zwischen zwei fast gleich großen
Strömen
in den "Leitungs"- (z.B. stromführend) und
neutralen Adern in einer Wechselspannungsschaltung (z.B. Erdungsfehlererfassung und
dergleichen) zu erfassen. Es kann sein, dass die Verstärkungen
der ADCs genau abgeglichen werden müssen, obwohl die absoluten
Verstärkungen
der ADCs nicht so genau sein müssen.
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Eine
Implementierung eines solchen Systems besteht darin, jeden ADC mit
einer genauen Referenz zu versehen, die den Großteil der Verstärkungsdrift
eines CMOS-ADC beseitigt. Eine solche Methode könnte jedoch aufwändig sein.
Bei der vorliegenden Erfindung können
die ADCs mit abgeglichenen Eingangssignalen von dem Paar von abgeglichenen
Präzisionswiderständen R1 und R2 periodisch
hinsichtlich der Verstärkung
kalibriert werden, wie vorstehend dargelegt. Die relativen Verstärkungen
der zwei ADCs werden somit genau aufeinander abgeglichen, während die
absolute Verstärkung
weniger relevant sein kann.
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Nach
der anfänglichen
Testkalibrierung sind die Verstärkungen
der zwei ADCs bekannt. Die zwei ADCs messen und zeichnen das Verhältnis von
R1/R2 auf. Später wird
beim Betrieb am Einsatzort angenommen, dass das Verhältnis R1/R2 unverändert ist, während die
Verstärkungen
der ADCs abgewandert sein können.
Bei einer Kalibrierung der relativen Verstärkung messen die ADCs das Verhältnis R1/R2 wieder und irgendwelche Änderungen
im Ergebnis werden der Verstärkungsdrift
der ADCs zugeschrieben. Es kann ferner angenommen werden, dass einer
der ADCs (z.B. ADC2) derjenige ist, der abgewandert ist, und seine
Verstärkung
kann dann kalibriert werden, um sie an den anderen ADC anzupassen.
Wiederum kann die relative Verstärkung
eines ADC zum anderen wichtiger sein als die absolute Verstärkung.
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Obwohl
dieses Schema den Fehler der absoluten Verstärkung der ADCs nicht verringern
kann, verringert es den Fehler der relativen Verstärkung zwischen
den ADCs auf die Drift des Verhältnisses der
Präzisionswiderstände. Man
beachte, dass irgendeine Änderung
des Potentials von GND2 mit Bezug auf GND1 die Verhältnismessung
nicht beeinflusst. Die einzige Anforderung, damit die Verhältnismessung
genau ist, besteht darin, dass die ADCs im Moment der Abtastung
keinen Strom von der Widerstandskette entnehmen.
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4 ist
ein Blockdiagramm eines isolierten Analog-Digital-Wandler-Systems der vorliegenden Erfindung
mit zwei Kanälen,
das in einer Leistungsmessanwendung dargestellt ist. In 4 kann
der ADC 143 den Strom durch die "SPANNUNGSFÜHRENDE" Leitung 420 der 220 V Wechselspannung messen,
indem er beispielsweise einen Spannungsabfall am Widerstand 440 misst.
Ebenso kann der ADC 153 den Strom durch die "NEUTRALE" Leitung 410 der
220 V Wechselspannung messen, indem er beispielsweise einen Spannungsabfall
am Widerstand 430 misst.
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Da
die ADCs 143 und 153 genau abgeglichen sind, kann
irgendeine Differenz im erfassten Strom beispielsweise als Erdungsfehler
gemessen werden. Man beachte, dass die absolute Verstärkung der
ADCs in einer solchen Anwendung irrelevant ist, nur die relativen
Verstärkungen
müssen
genau abgeglichen werden. Man beachte auch, dass der ADC 143 mit
der "SPANNUNGSFÜHRENDEN" Leitung 420 der
220 V Wechselspannung als Referenz-"Erdung" verbunden sein kann, wohingegen der
ADC 153 mit der "NEUTRALEN" Leitung 410 der
220 V Wechselspannung verbunden sein kann. Somit ist jeder der ADCs 143, 153 mit
verschiedenen Erdungspegeln verbunden. Die vorliegende Erfindung
ermöglicht
die relative Kalibrierung zwischen den ADCs trotz der verschiedenen
Erdungspegel der ADCs.
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Obwohl
das bevorzugte Ausführungsbeispiel und
verschiedene alternative Ausführungsbeispiele der
Erfindung hierin im einzelnen offenbart und beschriebenen wurden,
kann es für
Fachleute ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und im
Detail darin vorgenommen werden können.
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Die
hierin beschriebene Erfindung kann beispielsweise leicht auf mehr
als zwei ADCs erweitert werden, wobei angenommen werden könnte, dass ein
ADC keine Verstärkungsdrift
aufweist und alle anderen mit diesem ADC hinsichtlich der Verstärkung kalibriert
werden. Für
n ADCs können
n – 1
Paare von Präzisionswiderständen vorgesehen
werden.