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Analog-Digital-Wandlungsgerät mit geregelter Eingangsdynamik
Die Erfindung betrifft ein Analog-Digital-Wandlungsgerät mit einem
sogenannten analogen Eingang für den Erhalt einer analogen Eingangsspannung, einem
sogenannten Referenzeingang, an den eine Referenzspannung angelegt werden muss, und einem
digitalen Ausgang zur Abgabe eines digitalen Signals, das aus der Wandlung der analogen
Eingangsspannung hervorgeht, bestehend aus:
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- einem Verstärker mit einem ersten Eingang, einerseits mit dem analogen
Eingang über eine sogenannte Verbindungskapazität, und andererseits mit dem
Referenzeingang über einen sogenannten Verbindungswiderstand verbunden, einem zweiten Eingang,
über eine Speicherungskapazität mit einer Versorgungsklemme verbunden, und einem
Ausgang zur Abgabe eines Signals, das aus der Verstärkung der Differenz zwischen den am
ersten und zweiten Eingang erhaltenen Signalen hervorgeht,
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- einem Analog-Digital-Wandlungsgerät mit einem analogen Eingang, mit dem
Ausgang des Verstärkers verbunden, und einem den Ausgang des Geräts bildenden
Ausgang,
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- einem Steuermodul mit einer regelbaren Stromquelle, mit der
Speicherungskapazität verbunden und das es ermöglicht, die Spannung an den Klemmen der besagten
Kapazität zu verändern, und einem ersten Vergleicher, um einen Vergleich zwischen einem
vorbestimmten, sogenannten Regelsignal und einem für das Ausgangssignal des Verstärkers
stehenden Signals vorzunehmen, und um ein Signal abzugeben, das die Steuerung der
Leitfähigkeit der Stromquelle ermöglicht, wobei das Steuermodul aktiv ist, wenn die analoge
Eingangsspannung einer sogenannte Referenzstufen entspricht.
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In solch einem Gerät erhält der Verstärker an seinem ersten Eingang eine
Spannung, deren Gleichstromkomponente, mit durchschnittlicher Gleichstromkomponente
bezeichnet, einem Durchschnitt der Schwankungen der Spannungspegel der Referenzstufen
entspricht, die die analoge Eingangsspannung aufweist. Der zweite Eingang des Verstärkers
erhält die an den Klemmen der Speicherungskapazität vorhandene Spannung. Die Differenz
zwischen der besagten Spannung und der durchschnittlichen Gleichstromkomponente wird
so angepasst, dass das Ausgangssignal des Verstärkers Referenzstufen entspricht, deren
Spannungspegel konstant sind und von dem Regelsignal festgelegt werden. Im Falle einer
Schwankung der durchschnittlichen Gleichstromkomponente hat das Steuermodul die
Aufgabe, den Wert der Spannung an den Klemmen der Speicherungskapazität so anzupassen,
dass der Spannungspegel der Referenzstufen des Ausgangssignals des Verstärkers
unverändert bleibt. Die Schwankungsamplitude der durchschnittlichen Gleichstromkomponente
kann groß sein. Die momentanen Werte der Potentiale der dynamischen Signale, die die
Wechselstromkomponente des am ersten Eingang des Verstärkers vorhandenen Signals
bilden, und die Informationen darstellen, die Gegenstand der Umwandlung sind, haben
folglich eine große Schwankungsamplitude, die das Aufnahmevermögen des Verstärkers
übersteigen und zu dessen Sättigung führen kann, um so ein Kappen der Scheitelwerte und
folglich einen Informationsverlust zu bewirken. Das Dokument EP 0 341326 beschreibt den
der Einleitung von Anspruch 1 entsprechenden Stand der Technik.
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Gegenstand dieser Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beheben, indem ein
Analog-Digital-Wandlungsgerät vorgeschlagen wird, in dem der Spannungspegel der
durchschnittlichen Gleichstromkomponente einer Warnung unterliegt.
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Der Erfindung zufolge ist ein solches Gerät dadurch gekennzeichnet, dass es
außerdem einen zweiten, zwischen den Referenzeingang und den Verbindungswiderstand
eingefügten Vergleicher aufweist, mit einem ersten, mit dem Referenzeingang verbundenen
Eingang, einem zweiten, mit der Speicherungskapazität verbundenen Eingang, und einem
mit dem Verbindungswiderstand verbundenen Ausgang.
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In diesem Analog-Digital-Wandlungsgerät ist die Spannung an den
Klemmen der Speicherungskapazität gleich der Referenzspannung bei gleichbleibendem
Leistungsgrad, d. h. wenn der Spannungspegel der durchschnittlichen Gleichstromkomponente
und die Spannungspegel der Referenzstufen des Ausgangssignals des Verstärkers konstant
sind. Der Ausgang des zweiten Vergleichers ist dann inaktiv, was bedeutet, dass er keine
korrigierende Wirkung auf die durchschnittliche Gleichstromkomponente hat. Eine
Schwankung der durchschnittlichen Gleichstromkomponente wird schnell von dem
Steuermodul ausgeglichen, indem es an den Klemmen der Speicherungskapazität eine
Schwankung derselben Größenordnung vorgibt, damit die Differenz zwischen den beiden
Spannungen unverändert bleibt. Wenn die Spannung an den Klemmen der
Speicherungskapazität von der Referenzspannung abweicht, geht der Ausgang des zweiten Vergleichers in
aktiven Zustand über und ermöglicht die Änderung des Spannungswertes an den Klemmen
der Verbindungskapazität, was eine Rückkehr der durchschnittlichen Gleichstromkomponente
auf den Spannungspegel bewirkt, den sie bei gleichbleibendem Leistungsgrad hatte.
Der Spannungsverlauf an den Klemmen der Speicherungskapazität ist aufgrund der
Tätigkeit des Steuermoduls gleichartig, was den Umfang der mit dem zweiten Vergleicher
vorgenommenen Korrektur nach und nach schmälert. Wenn der gleichbleibende Leistungsgrad
wieder hergestellt ist, wird der Ausgang des besagten Vergleichers erneut inaktiv.
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Eine Durchführungsform der Erfindung ermöglicht es, das Regelsignal
einfach im Geräteinnern zu erzeugen. Ein dieser Durchführungsform entsprechendes Analog-
Digital-Wandlungsgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass das Analog-Digital-
Wandlungsgerät mit einer Widerstandsstufe versehen ist, die einer bestimmten
Potentialdifferenz unterliegt, wobei die Stufe an jeden Zwischenknoten zwischen zwei Widerständen
eine sogenannte Abtastspannung abgibt, die vom Wandler zu Vergleichszwecken mit einem
Signal verwendet wird, das er an seinem analogen Eingang erhält, wobei das Regelsignal
anhand mindestens einer der besagten Abtastspannungen erzeugt wird.
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Die Abtastspannungen ermöglichen es so, dem Regelsignal einen im
Rahmen eines sehr breiten Bereichs entnommenen, auf der Grundlage von bereits bestehender
Spannungen zuzuteilen.
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In einer Variante dieser Durchführungsform ist ein Analog-Digital-
Wandlungsgerät dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsignal eine der Abtastspannungen
ist.
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Die Erfindung wird besser anhand der folgenden Beschreibung verstanden,
die als nicht erschöpfendes Beispiel hinsichtlich der Fig. 1 gemacht wird, die ein Teil-
Funktionsschema darstellt, das ein Analog-Digital-Wandlungsgerät in einer vorteilhaften
Durchführungsform der Erfindung beschreibt.
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Dieses Gerät hat einen sogenannten analogen Eingang für den Erhalt einer
analogen Eingangsspannung Vin, einen Referenzeingang, an den eine Referenzspannung
Vref angelegt werden muss, und einen digitalen Ausgang zur Abgabe eines digitalen
Signals Vout[0:7], das aus der Umwandlung der analogen Eingangsspannung Vin hervorgeht.
Dieses Gerät besteht aus:
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- einem Verstärker A mit einem ersten Eingang, einerseits mit dem analogen
Eingang über eine Verbindungskapazität C1, und andererseits mit dem Referenzeingang über
einen Verbindungswiderstand R1 verbunden, einem zweiten Eingang, über eine
Speicherungskapazität Cs mit einer Versorgungsklemme GND verbunden, und einem Ausgang zur
Abgabe eines Signals, das aus der Verstärkung der Differenz zwischen den Signalen
hervorgeht, die der Verstärker A an seinem ersten und zweiten Eingang erhält,
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- einem Analog-Digital-Wandlungsgerät ADC mit einem analogen Eingang, mit
dem Ausgang des Verstärkers A verbunden, und einem den Ausgang des Geräts bildenden
Ausgang, an diesem Beispiel ein über 8 Bits kodiertes Ausgangssignal Vout[0:7],
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- einem Steuermodul mit einer regelbaren Stromquelle Is, mit der
Speicherungskapazität Cs verbunden und das es ermöglicht, die Spannung an den Klemmen der besagten
Kapazität Cs zu verändern, und einem ersten Vergleicher CMP1, um einen Vergleich
zwischen einem vorbestimmten Regelsignal Vreg und einem für das Ausgangssignal des
Verstärkers stehenden Signals vorzunehmen, und um ein Signal abzugeben, das die Steuerung
der Leitfähigkeit der Stromquelle Is ermöglicht.
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In der hier beschriebenen Durchführungsform ist das Analog-Digital-
Wandlungsgerät ADC mit einer Widerstandsstufe LD versehen, die einer bestimmten
Potentialdifferenz unterliegt. Diese Stufe LD gibt an jeden Zwischenknoten zwischen zwei
Widerständen eine sogenannte Abtastspannung Vi (für i = 0 bis n) ab, die vom Wandler
ADC zu Vergleichszwecken mit einem Signal verwendet wird, das er an seinem analogen
Eingang erhält. Das Regelsignal Vreg wird anhand dieser Abtastspannungen von einem
Modul IM erzeugt, welches von einem Signal CMD gesteuert wird, das z. B. aus einem auf
der Figur nicht dargestellten programmierbaren digitalen Register kommen kann. Je nach
der Art des Regelsignals Vreg, das man erhalten möchte, kann das Modul IM verschiedene
Formen annehmen. Wenn man wünscht, dass das Regelsignal Vreg einer der
Abtastspannungen Vi (für i = 0 bis n) entspricht, wird das Modul IM aus einem Multiplexer mit n+1
Dateneingängen gebildet, die jeweils eine der Abtastspannungen erhalten, und mit p
Auswahleingängen mit n + 1 = 2p, wobei das Regelsignal CMD dann auf p Bits kodiert ist. Wenn
man eine bessere Definition des Wertes des Regelsignals Vreg erhalten möchte, muss man
dem besagten Signal Vreg einen Zwischenwert zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Abtastspannungen, Vi und Vi + 1 (für i = 0 bis n - 1), zuteilen können. Dies kann stattfinden,
indem dem Modul IM ein Interpolationsmodul eingefügt wird, das aus einer
Interpolationsstufe gebildet wird, aus in Serie angeordneten Widerständen gebaut. Die Enden dieser
Interpolationsstufe erhalten die besagten aufeinanderfolgenden Abtastspannungen, mit dem
Steuersignal CMD ausgewählt, dessen Struktur dann verschieden zu der ist, die es im Falle
eines einfachen, hiervor erläuterten Multiplex haben müsste. Die Zwischenknoten zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Widerständen der Abtaststufe liefern zwischen den Abtastspannungen
liegende Spannungen, wobei eine dieser Zwischenspannungen mit dem
Steuersignal CMD ausgewählt wird, um das Regelsignal Vreg zu bilden. Dem Fachmann sind
derartige Durchführungsformen möglich, die nicht aus dem Rahmen der Erfindung fallen.
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An dem auf Fig. 1 dargestellten Durchführungsbeispiel ist der Vergleicher
CMP1 ein analoger Vergleicher, der einen Vergleich zwischen dem Ausgangssignal des
Verstärkers A und einem Regelsignal Vreg analoger Form durchführt. In anderen
Durchführungsformen der Erfindung ist es möglich, einen digitalen Vergleich des
Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlungsgeräts ADC mit einem digital geregelten Signal
vorzunehmen, mit einem Vergleicher, digitaler Art, dessen Ausgang die Ja/Nein-Leitung der
regelbaren Stromquelle Is steuert.
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Das Steuermodul kann die Spannung an den Klemmen der
Speicherungskapazität Cs nur beeinflussen, wenn es durch ein Aktivierungssignal En aktiviert ist. Dieses
Signal wird auf der Grundlage des Eingangssignals Vin durch einen Detektor EM erzeugt,
dessen Funktion es ist, die Referenzstufen zu erkennen, die das Eingangssignal Vin
aufweist, und das Signal En über die Dauer jeder der Stufen in einen aktiven Zustand und
ansonsten in einen inaktiven Zustand zu bringen. Die Struktur dieses Detektors EM ist dem
Fachmann bekannt und wurde auf der Figur nicht veranschaulicht.
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Das Gerät enthält zudem einen zweiten, zwischen den Referenzeingang und
den Verbindungswiderstand R1 eingefügten Vergleicher CMP2. Dieser Vergleicher CMP2
hat einen ersten Eingang, mit dem Referenzeingang verbunden, einen zweiten Eingang, mit
der Speicherungskapazität Cs verbunden, und einen Ausgang, mit dem
Verbindungswiderstand R1 verbunden.
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Der Vergleicher CMP2 nimmt eine Abstimmung der durchschnittlichen
Gleichstromkomponente vor, dessen Funktionsweise folgendermaßen beschrieben werden
kann:
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Bei permanentem Leistungsgrad, d. h. wenn der Spannungspegel der
durchschnittlichen Gleichstromkomponente dem Wert der Gleichstromkomponente V+
entspricht und die Spannungspegel der Referenzstufen des Ausgangssignals des Verstärkers A
konstant sind, ist die Spannung V- an den Klemmen der Speicherungskapazität Cs gleich
der Referenzspannung Vref. Der Ausgang des zweiten Vergleichers CMP2 ist dann inaktiv,
was bedeutet, dass er keine korrigierende Wirkung auf die Gleichstromkomponente der
Spannung V+ hat. Wenn z. B. der Spannungspegel der Referenzstufen, den die analoge
Eingangsspannung Vin aufweist, stark und stetig sinkt, nimmt auch der Wert der Gleichstromkomponente
der Spannung V+ ab. Dieser Rückgang wird schnell von dem Steuermodul
ausgeglichen, das eine Abnahme gleicher Größe der Spannung V- an den Klemmen der
Speicherungskapazität Cs vorgibt, damit die Differenz zwischen den Werten der
Gleichstromkomponente der Spannung V+ und der der Spannung V- unverändert bleibt. Aufgrund
der Abnahme des Wertes von Vin bezug auf Vref geht der Ausgang des zweiten
Vergleichers CMP2 in aktiven Zustand über und bewirkt die Zufuhr eines Stromes Ia, dem
sogenannten Zusatzstrom, in die Verbindungskapazität C1, was es ermöglicht, den Wert der
Spannung an den Klemmen der besagten Kapazität C1 zu ändern, was bewirkt, den Wert
der Gleichstromkomponente der Spannung V+ auf den zu erhöhen, den sie bei
gleichbleibendem Leistungsgrad hatte. Die Spannung V- an den Klemmen der Speicherungskapazität
Cs verläuft aufgrund der Tätigkeit des Steuermoduls gleichartig, was den Umfang der mit
dem zweiten Vergleicher CMP2 vorgenommenen Korrektur nach und nach schmälert,
wobei der Wert des in die Verbindungskapazität C1 zugeführten Stroms nach und nach
abnimmt. Wenn der permanente Leistungsgrad wieder hergestellt ist, wird der Ausgang des
Vergleichers CMP2 wieder inaktiv. Diese Überlegung ist leicht auf den Fall zu übertragen,
in dem die durchschnittliche Gleichstromkomponente eine Erhöhung erfährt, wobei der
Zusatzstrom Ia dann in entgegengesetzter Richtung zu der fließt, die auf der Figur gezeigt
wird, wenn V- größer als Vref wird, mit dem Ziel, die Verbindungskapazität C1 zu entladen
und so die Spannung an deren Klemmen zu vermindern. Die Schwankungen der
durchschnittlichen Gleichstromkomponente werden folglich mit dem Abstimmungssystem, das
mit dem Vergleicher CMP2 vorgenommen wird, schnell korrigiert, was die Risiken, in
Ermangelung des besagten Abstimmsystems aufgrund einer Sättigung des Verstärkers A
Informationen zu verlieren, wesentlich vermindert.