-
Diese
Erfindung betrifft einen Analog/Digital-Wandler.
-
Es
sind verschiedene Verfahren bekannt, um analoge Signale in digitale
Signale zu überführen. Sie sind
beispielsweise in "Intelligent
Instrumentation – Microprocessor
Applications in Measurement and Control" von Barney, erschienen bei Prentice/Hall
International (UK) Ltd., erörtert.
-
Insbesondere
für Massenprodukte
ist es zudem wünschenswert,
in der Lage zu sein, preiswerte Bauelemente zu verwenden, wo immer
dies möglich
ist, solange die Qualität
des Wandlers für
eine gegebene Anwendung akzeptabel bleibt.
-
Das
Umwandlungsverfahren mittels Rückkopplung
nimmt eine Abfrage eines analogen Eingangssignals, löst eine
Zählung
aus und vergleicht eine analoge Version des Zählwertes mit dem analogen Eingangssignal.
Wenn eine Gleichheit erreicht ist, stoppt die Zählung, und es wird ein digitales
Ausgangssignal erzeugt. Folglich startet die Zählung für jede Umsetzung bei dem gleichen
Basiswert (üblicherweise
null), was bedeutet, dass das digitale Ausgangssignal nur so schnell
zur Verfügung
steht, wie die Zählung
den richtigen Wert erreichen kann. Dies bedeutet außerdem,
dass das digitale Ausgangssignal nach unterschiedlichen Umsetzungsdauern,
die von dem umzusetzenden Analogwert abhängen, zur Verfügung steht.
-
Es
ist eine Form einer kontinuierlichen Analog/Digital-Wandlung möglich, die
ein Simultanverfahren nutzt. Es ist jedoch nicht kostengünstig, da
es 2n-1 Komparatoren erfordert, wobei n
die Anzahl der Bits in dem digitalen Ausgangssignal ist.
-
EP 0 612 982 offenbart eine
Signalverarbeitungsschaltung für
einen widerstandsbehafteten analogen Messfühler, insbesondere für eine Kraftstoffvorratsanzeige.
-
JP 58 111 431 offenbart
einen Analog/Digital-Wandler für
die Umsetzung einer stationären
Eingangsspannung.
-
JP 05 041 668 offenbart
einen Analog/Digital-Wandler, der im Stande ist, die Auflösung des
digitalen Wertes sicherzustellen.
-
FR 2 564 885 offenbart eine
Vorrichtung zum Multiplexen mit einer elektronischen Steuervorrichtung, die
einen Mikrocomputer enthält.
-
Eine
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Analog/Digital-Wandlers,
der dem Analogwert nachfolgt und im Allgemeinen fähig ist,
bei einer gegebenen Zählrate
schneller als bekannte Wandler ein aktualisiertes Ausgangssignal
zu erzeugen.
-
Außerdem ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen
Analog/Digital-Wandler zu schaffen.
-
Die
Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Einige bevorzugte Merkmale
sind in den abhängigen
Ansprüchen
aufgezählt.
-
Die
Erfindung ermöglicht,
die Analog/Digital-Wandlung durchzuführen, wenn der umzusetzende
Wert zunimmt oder abnimmt, wohingegen das Verfahren des Standes
der Technik mit einer Rückkopplung
eine Zählung
vom Basiswert an erfordert.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird ein Analog/Digital-Wandler geschaffen, der Folgendes
aufweist: einen Komparator mit einem ersten Eingang für ein Analogsignal,
das umzusetzen ist, und einem zweiten Eingang, einen Vor-Rückwärts-Zähler mit
einem Zählerausgang,
wobei der Zähler
auf ein Ausgangssignal des Komparators reagiert und vorwärts zählt, wenn
das Analogsignal an dem ersten Eingang höher als ein Rückführsignal
an dem zweiten Eingangs ist, und rückwärts zählt, wenn das Analogsignal
an dem ersten Eingang niedriger als ein Rückführsignal an dem zweiten Eingang
ist, wobei der Wandler ferner einen Digital/Analog-Wandler aufweist,
der so ausgebildet ist, dass er das Ausgangssignal des Zählers umwandelt
und dieses umgewandelte Ausgangssignal als das Rückführsignal an den zweiten Eingang
des Komparators anlegt, wobei das Zählerausgangssignal für das Analogsignal
an dem ersten Eingang repräsentativ
ist.
-
Die
Erfindung ist im Stande, den Analogwert zu verfolgen, während er
zunimmt und abnimmt. Dies kann genutzt werden, um mit einer verhältnismäßig einfachen
Schaltungsanordnung ein im Wesentlichen ständig aktualisiertes digitales
Ausgangssignal bereitzustellen.
-
Die
Erfindung schafft einen vielseitig verwendbaren Analog/Digital-Wandler,
der aus allgemein zur Verfügung
stehenden Bauelementen herstellbar ist. Die Erfindung erfordert
keine Abtast-Halte-Schaltung. Die Anstiegsrate des Wandlers ist
zum größten Teil
durch die Zählrate
des Zählers
bestimmt.
-
Zwar
sind verschiedene Typen von Digital/Analog-Wandlern bekannt, doch
weist jener der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einen Pulsbreitenmodulator
auf, der so ausgebildet ist, dass er das Ausgangssignal des Zählers entgegennimmt,
und außerdem
ein Tiefpassfilter zum Glätten
des pulsbreitenmodulierten Ausgangssignals von dem Modulator, wobei
das Ausgangssignal des Filters das Rückführsignal ist, das an den zweiten
Eingang angelegt wird.
-
Das
Zählerausgangssignal
wird ein digitales Wort sein. Es ist festgestellt worden, dass es
möglich
ist, obwohl von dem Digital/Analog-Wandler das vollständige digitale
Wort verarbeitet werden kann, für
die Zwecke der Erfindung nur eine Anzahl von höchstwertigen Bits zu verarbeiten.
-
Der
Zähler
ist vorzugsweise so organisiert, dass er mit einer ersten Rate inkrementiert
und dekrementiert, und der Modulatorausgang ist bei einer zweiten
Rate betriebsfähig,
die niedriger als die erste Rate ist.
-
Die
Erfindung kann einen Taktgeber und einen Frequenzteiler, der so
ausgebildet ist, dass er die Ausgabe des Taktgebers aufteilt, um
die erste und die zweite Rate abzuleiten, beinhalten.
-
Die
vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Weisen in die Praxis überführt werden,
wovon nun eine beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben wird, worin:
-
1 eine
Prinzipskizze eines Analog/Digital-Wandlers gemäß der Erfindung ist;
-
2(a), (b) und (c) Diagramme zur Veranschaulichung
der Signalformen des Wandlers von 1 sind;
-
3 eine
Prinzipskizze einer die Erfindung einbindenden dualen Pulsbreitenmodulations/Analog-Eingabevorrichtung
ist;
-
4 eine
Prinzipskizze eines die Eingabevorrichtung von 3 integrierenden
geschalteten Reluktanzantriebs ist.
-
In 1 weist
ein Analog/Digital-Wandler (ADC) einen Komparator 10 auf,
der einen invertierenden Eingang hat, welcher das umzusetzende Analogsignal
entgegennimmt. Das Ausgangssignal des Komparators 10 wird
als eine Befehlseingabe an einen 10-Bit-Vor- Rückwärts-Zähler 12 (U/D)
angeschlossen, der durch das Ausgangssignal eines 10 MHz-Systemtaktgebers 14,
in einem Frequenzteiler 16 durch 64 geteilt, angesteuert wird.
Das 10-Bit-Wort-Ausgangssignal
des Zählers 12 ist
das dem analogen Eingangssignal äquivalente
digitale 10-Bit-Wort.
-
Die
Rückführregelung
des digitalen Ausgangssignals wird bewerkstelligt, indem die acht
höchstwertigen
Bits der digitalen Ausgabe von dem Zähler 12 an einen 8-Bit-Pulsbreitenmodulator 18 (PWM)
geliefert werden, der ebenfalls durch den 10 MHz-Systemtakt angesteuert
wird, welcher jedoch mittels eines weiteren Frequenzteilers 19 durch
256 geteilt wird, wodurch sich eine Pulsbreitenmodulationsfrequenz
von 39,0625 kHz ergibt. Das Ausgangssignal des Pulsbreitenmodulators 18 wird
an ein Tiefpassfilter 20 angelegt, das einen 1 kΩ-Widerstand
22 in Reihe mit einem zum Massepotential geschalteten 100 nF-Kondensator 24 aufweist.
Zwischen dem Widerstand 22 und dem Kondensator 24 ist
der nichtinvertierende Eingang des Komparators 10 angeschlossen.
-
Zum
Zwecke der Veranschaulichung ist es günstig, die Ausgangssituation
zu betrachten, wobei der Zähler 12 auf
null gestellt ist und das Ausgangssignal des Modulators 18 logisch
0 ist. Ein positives analoges Eingangssignal, das an dem invertierenden
Eingang des Komparators 10 anliegt, bewirkt, dass das Ausgangssignal
des Komparators auf logisch 0 ist. Dies wird von dem Zähler 12 als
ein Befehl zum Vorwärtszählen mit der
durch 64 geteilten Taktrate interpretiert. Der zunehmende Betrag
der Zählung
hat eine zunehmende Modulation durch den Modulator 18 zur
Folge, so dass sein Tastgrad immer größer wird. Das Impulsausgangssignal
des Modulators 18 wird tiefpassgefiltert, um eine ansteigende
Rampe zu erzeugen, die als Rückführsignal an
den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 10 angelegt
wird. Wenn der Pegel des tiefpassgefilterten Signals ansteigt, wird
er schließlich
den Wert des analogen Eingangssignals übersteigen. An diesem Punkt wird
sich das Ausgangssignal des Komparators in eine logische 1 ändern. Dies
wird von dem Zähler
als ein Befehl zum Rückwärtszählen interpretiert.
Die Zählerausgabe
wird dann dekrementiert, und die abnehmenden acht höchstwertigen
Bits, die vorher die Ausgabe der ansteigenden Rampe durch das Tiefpassfilter
verursacht hatten, bewirken dann eine fallende Rampe, bis das Tiefpassfiltersignal
wieder unter das analoge Eingangssignal fällt. Das Zählerausgangssignal, das die
digitalisierte Version des analogen Eingangssignals repräsentiert,
schwingt um den gleich bleibenden Eingangswert.
-
In 2(a), (b) und (c) sind für eine stufenförmig analoge
Eingangsgröße vereinfachte
Signalformen für
das tiefpassgefilterte Ausgangssignal VLP,
das Komparatorausgangssignal VCOMP bzw.
das Vor-Rückwärts-Zähler-Ausgangssignal
dargestellt. 2(a) zeigt das Eingangssignal,
das zum Zeitpunkt 0 auf einen Wert ansteigt, der dann konstant bleibt.
Dies hat zur Folge, dass VCOUNT ansteigt
und gleichzeitig VLP nach oben treibt. Wenn
VLP den Analogwert überschreitet, schaltet der
Komparator um, woraufhin VCOUNT abnimmt.
Es ist zu sehen, dass das 10-Bit-Ausgangssignal des Zählers VCOUNT, welches das in ein digitales Wort
umgesetzte Analogsignal ist, eine Welligkeit aufweist, da es schwingt,
wobei das Komparatorausgangssignal zwischen logisch 1 und logisch
0 wechselt. Die Erfindung ist fähig,
ansteigende und fallende analoge Eingangssignale zu verfolgen und
das digitale Ausgangssignal dementsprechend zu korrigieren.
-
Wie
nahe der digitale Wert am Ausgang des Zählers dem analogen Eingangssignal,
das er repräsentiert,
ist, liegt größtenteils
an der Geschwindigkeit des Zählers.
Bei einem schnelleren Zähler
wird eine bessere Korrelation zwischen beiden erzielt.
-
3 veranschaulicht
eine Anwendung der Erfindung als Teil einer anwendungsspezifischen
integrierten Schaltung (ASIC) zur Verwendung als Steuereinheit für einen
Elektromotor in einem Waschmaschinenantrieb. Es ist offensichtlich,
dass eine Waschmaschinenherstellung typisch für in Großserien produzierte, elektrisch
angetriebene Produkte ist, bei denen eine kostengünstige Lösung für die Ausführung einer
Steuereinheit von erheblichem wirtschaftlichem Vorteil sein kann.
Bei dieser besonderen Anwendung ist die Anzahl der elektrischen
Kontaktstifte, die an dem ASIC zur Verfügung stehen, begrenzt, und
das Ausmaß,
in dem ein Stift verschiedene Funktionen erfüllen kann, könnte die
Umsetzung einer weiteren Funktion des ASIC ermöglichen oder Kontaktstifte
für andere
Verwendungen freisetzen.
-
In 3 wiederholt
sich die Schaltung von 1, wobei gleiche Bezugszeichen
verwendet worden sind, um gleiche Teile zu bezeichnen. An den Ausgang
des Komparators 10 ist ein Puls-breitenmodulations-Eingabesystem 30 angeschlossen.
Das Eingabesystem 30 stellt ein digitales Wort bereit,
das proportional zur PWM-Eingangsimpulsbreite ist.
-
Das
Ausgangssignal des ADC der Erfindung und das Ausgangssignal des
Pulsbreitenmodulations-Eingabesystems 30 werden entsprechend
einem Auswahlsignal auf der Leitung 34 von dem Eingabesystem 30 mittels
eines Ausgangsmultiplexers 32 multiplexiert, so dass als
Ausgabe an die nächste
Stufe des ASIC entweder ein pulsbreitenmoduliertes Signal auf der
Grundlage eines digitalen pulsbreitenmodulierten Eingangssignals,
oder ein Signal auf der Grundlage eines digitalen 10-Bit-Wortes,
das von einem analogen Eingangssignal abgeleitet ist, das gemäß der Erfindung
umgesetzt wird, ausgewählt
wird. Ein weiterer Multiplexer 36 wird außerdem mit
den Ausgangssignalen des Zählers 12 und
eines digitalen Registers 38 versorgt. Dieser weitere Multiplexer
wird ebenfalls durch das Auswahlsignal auf der Leitung 34 angesteuert,
eines der Ausgangssignale zu dem Pulsbreitenmodulator 18 durchschalten.
-
Die
Ausgabe des Registers 38 ist ein digitales Wort, das einer
50 %-Modulation des Pulsbreitenmodulator-Ausgangssignals entspricht.
In dem Fall des 8-Bit-Modulator-Ausgangssignals
in dieser Ausführungsform ist
der Wert des Wortes deshalb 128.
-
In
einer besonderen Anwendung kann ein Elektromotor-Steuersignal ein
pulsbreitenmoduliertes Signal oder ein Analogsignal sein, das in
Abhängigkeit
vom Typ des Waschmaschinenantriebs in einer besonderen Anwendung
für einen
digitalen Bedarf umzuwandeln ist. Der die Erfindung einbindende
ASIC ist auf beide Situationen anwendbar. Deshalb kann der gleiche
ASIC hergestellt werden, um den zwei Typen der Steuereingabe zu
dienen. Das Pulsbreitenmodulations-Eingabesystem 30 erzeugt
das Auswahlsignal, das Indikativ ist, dass am Ausgang des Komparators
kein Pulsbreitenmodulationssignal vorliegt. Dieses Signal wird auf
der Leitung 34 benutzt, um die Multiplexer 32 und 36 anzusteuern.
Selbstverständlich
könnte
das Pulsbreitenmodulations-Eingabesystem genauso gut ein Auswahlsignal
erzeugen, das für
eine am Ausgang des Komparators vorhandene Pulsbreitenmodulation
Indikativ wäre,
um die Multiplexer ebenso wie bei einem Fehlen des Signals an sich
anzusteuern. Im Falle des Multiplexers 32 wird das Ausgangssignal
des Analog/Digital-Wandlers der Erfindung durchgeschaltet, wenn
kein Pulsbreitenmodulationssignal erfasst wird. Im Falle des Multiplexers 38 bewirkt
das Auswahlsignal, daß die
acht höchstwertigen
Bits von dem 10-Bit-Ausgangssignal des Zählers 12 bevorzugt
gegenüber
dem Wert 128 von dem Register 38 zu dem Pulsbreitenmodulator
durchgeschaltet werden.
-
Andererseits,
wenn das Eingangssignal in den invertierenden Eingang des Komparators
ein pulsbreitenmoduliertes Signal ist, bewirkt das Ausgangssignal
des Pulsbreitenmodulations-Eingabesystems 30,
dass das Auswahlsignal auf der Leitung 34 den Multiplexer 32 so
ansteuert, dass Signale direkt von dem Pulsbreitenmodulations-Eingabesystems 30 bevorzugt
gegenüber
der Ausgabe des Zählers 12 durchgeschaltet
werden. Das gleiche Signal steuert den Multiplexer 36 an,
um die Ausgabe 128 des Registers 38 bevorzugt
gegenüber
den acht höchstwertigen
Bits der Ausgabe des Zählers 12 durchzuschalten.
Ein Modulationsfaktor von 50 % lässt
sich vorteilhaft als konstanter Schwellenwert verwenden, in dessen
Nähe der
Komparator entsprechend dem ankommenden Pulsbreitenmodulationssignal
umschaltet. Dies sorgt für
eine ausgeglichene Modulation um einen Mittelpunkt am Ausgang des
Komparators 10. Selbstverständlich kann ein Vorspannen des
Ausgangs des Komparators bewerkstelligt werden, indem der Modulationsfaktor
nach Bedarf verändert wird.
Bei Verwendung des 50 %-Modulationsfaktors wird das ankommende pulsbreitenmodulierte
Signal mit einer im Wesentlichen konstanten Spannung der halben
Maximalimpulsspannung an dem invertierenden Eingang verglichen,
so dass das Ausgangssignal des Komparators einfach eine symmetrische
Reproduktion der Eingangs-Pulsbreitenmodulationsimpulse
ist.
-
Für den Fachmann
ist offensichtlich, dass die in 3 gezeigte
Ausführung
der Erfindung fähig
ist, automatisch ein ankommendes pulsbreitenmoduliertes Signal oder
ein Analogsignal, das eine Analog/Digital-Umsetzung erforderlich
macht, zu decodieren und die entsprechenden pulsbreitenmodulierten
Signale zu übertragen
oder zu erzeugen.
-
In 4 ist
ein Antriebssystem für
einen geschalteten Reluktanzmotor veranschaulicht, wobei der Wandler
von 3 verwendet wird, wie durch das Bezugszeichen 39 angegeben
ist. Ein geschalteter Reluktanzmotor 40 weist einen Rotorpositionsgeber 42 auf,
der dafür
ausgelegt ist, die Position der Rotorwelle zu erfassen. Eine Steuereinheit 44 nimmt
die Rotorpositionsinformationen von dem Rotorpositionsgeber 42 entgegen,
und es wird ein Drehzahl- oder Drehmoment-Anforderungssignal auf
der Leitung 46 erzeugt, welches das Eingangssignal in den
invertierenden Eingang des Komparators 10 ist. Auf bekannte
Art und Weise berechnet die Steuereinheit die das Umschalten auslösenden Signale
entsprechend der Phasenfolge und den Zeitsteuerungsinformationen
von dem Rotorpositionsgeber 42. Das Ausgangssignal der
Steuereinheit kann je nach der besonderen Anwendung ein pulsbreitenmoduliertes
Signal, d.h. ein digitaler Befehl, oder ein Analogspannungspegel
sein. In jedem Fall wird das Befehlssignal an den invertierenden
Eingang des Komparators 10 angelegt, und auf der Leitung 34 wird
das entsprechende Auswahlsignal erzeugt, je nachdem, ob eine Pulsbreitenmodulation
erfasst worden ist oder nicht. Das Ausgangssignal des Wandlers 39 wird
benutzt, um unter der Steuerung durch die Steuereinheit 44 für jede der
Phasen des Motors 40 eine Schaltvorrichtung 48 zu
aktivieren.
-
Obwohl
die Erfindung anhand
3 im Zusammenhang mit einer
ASIC-Implementierung beschrieben worden ist, könnten andere Formen und Kombinationen
aus Hardware und Software mit der gleichen Wirkung verwendet werden.
So ist die Erfindung im Zusammenhang mit den veranschaulichten Ausführungsformen
wie weiter oben erörtert
beschrieben worden. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass viele Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne von der vorliegenden Erfindung abzukommen. Beispielsweise könnte der
Zähler
eine andere Anzahl von Bits haben, wobei er die gleiche Anzahl von
Bits wie das Pulsbreitenmodulations-Ausgangssignal haben könnte. Der
Digital/Analog-Wandler könnte
eine andere bekannte Form annehmen. Außerdem könnten, obwohl die Erfindung
mit Bezug auf einen Pulsbreitenmodulator beschrieben worden ist,
andere Formen der Pulsmodulation, wie etwa eine Pulsamplitudenmodulation,
tiefpassgefiltert werden, um ein äquivalentes Rückführsignal
zu erzielen. Dementsprechend ist die obige Beschreibung von Ausführungsformen
als Beispiel und nicht zum Zweck der Beschränkung gegeben. Die vorliegende
Erfindung soll nur durch den Rahmen der folgenden Ansprüche beschränkt sein. DEUTSCHE
FIGURENBESCHRIFTUNGEN Fig.
1
![Figure 00090001](https://patentimages.storage.googleapis.com/4d/08/f5/6535fcd6fc3ec7/00090001.png)
-
2
-
-
- TIME
- Zeit
- I/P
- Eingangssignal
- VLP
- Tiefpassgefiltertes
Ausgangssignal
- VCOMP
- Komparatorausgangssignal
- VCOUNT
- Vor-Rückwärts-Zähler-Ausgangssignal
-
-
4
-