FR2656177A1

FR2656177A1 - METHOD FOR ANALOG-TO-DIGITAL CONVERSION OF INPUT VOLTAGES AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR IMPLEMENTING THE METHOD

Info

Publication number: FR2656177A1
Application number: FR9011111A
Authority: FR
Inventors: Chapmann Michael; Wozny Margarete
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-12-14
Filing date: 1990-09-07
Publication date: 1991-06-21
Also published as: DE3941293A1

Abstract

a) Procédé pour la conversion analogique-numérique de tensions d'entrée et agencement de circuit pour la mise en œuvre du procédé, b) procédé caractérisé en ce qu'une tension de référence élevée (12) est convertie en un premier nombre d'impulsions qui lui est proportionnel, tandis qu'une tension de référence peu élevée (11) est convertie en un second nombre d'impulsions proportionnel à cette tension de référence (11), et agencement de circuit pour la mise en œuvre du procédé en ce que la tension (10, 11 12), appliquée à l'entrée inversée du comparateur (18) chute sur une résistance (16), en ce qu'à l'entrée non inversée du comparateur (18) est appliquée une tension de référence (13). c) L'invention se rapporte aux procédés pour la conversion analogique-numérique de tensions d'entrée et agencement de circuit pour la mise en œuvre du procédé.a) Method for analog-to-digital conversion of input voltages and circuit arrangement for carrying out the method, b) method characterized in that a high reference voltage (12) is converted into a first number of pulses which is proportional to it, while a low reference voltage (11) is converted into a second number of pulses proportional to this reference voltage (11), and circuit arrangement for implementing the method in this that the voltage (10, 11 12), applied to the inverted input of the comparator (18) drops on a resistor (16), in that the non-inverted input of the comparator (18) is applied a reference voltage (13). c) The invention relates to methods for the analog-to-digital conversion of input voltages and circuit arrangement for implementing the method.

Description

"Procédé pour la conversion analogique-numérique de tensions d'entrée et"Method for analog-to-digital conversion of input voltages and

agencement de circuit pour la mise en oeuvre du procédé" L'invention part d'un procédé pour la conversion analogique-numérique de tensions d'entrée circuit arrangement for carrying out the process "The invention starts from a method for the analog-to-digital conversion of input voltages

avec un convertisseur analogique/numérique. with an analog / digital converter.

Dans le IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol 23, Ne 3, Juin 1988, pages 736 à 741, In the IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol 23, No. 3, June 1988, pages 736 to 741,

"A Second-Order High-Resolution Incremental A/D- "A Second-Order High-Resolution Incremental A / D-

Converter with offset and Charge Injection Compensation", il est proposé un procédé dans lequel la conversion de la tension d'entrée s'effectue avec seulement une tension de référence Une évaluation approchée de la tension d'entrée est alors effectuée par un procédé d'itération, par lequel seules peuvent être converties des valeurs de tensions qui sont plus With a converter with offset and charge injection compensation, a method is proposed in which the conversion of the input voltage is carried out with only a reference voltage. An approximate evaluation of the input voltage is then carried out by a method of iteration, by which only values of voltages that are more

petites en valeur absolue que la tension de référence. small in absolute value as the reference voltage.

La précision de ce procédé dépend d'une manière décisive de la façon dont la tension de référence peut The accuracy of this process depends in a decisive way on how the reference voltage can

être maintenue constante.be kept constant.

L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne, à cet effet, un procédé caractérisé en ce qu'une tension de référence élevée est convertie en un premier nombre d'impulsions qui lui est proportionnel, tandis qu'une tension de référence peu élevée est convertie en un second nombre d'impulsions proportionnel à cette tension de référence, les nombres d'impulsions de tension de référence étant mémorisés, la tension d'entrée étant convertie en un troisième nombre d'impulsions qui lui est proportionnel, et le calcul de la valeur analogique de la tension s'effectuant en formant la différence du premier et du second nombre d'impulsions, en formant la différence du second et du troisième nombre d'impulsions, et en formant le The object of the invention is to overcome these drawbacks and concerns, for this purpose, a method characterized in that a high reference voltage is converted into a first proportion of pulses which is proportional to it, whereas a voltage of low reference is converted into a second number of pulses proportional to this reference voltage, the reference voltage pulse numbers being stored, the input voltage being converted to a third proportion of pulses which is proportional thereto, and calculating the analog value of the voltage effected by forming the difference of the first and the second number of pulses, forming the difference of the second and the third number of pulses, and forming the

quotient de ces différences.quotient of these differences.

Le procédé selon l'invention présentant les caractéristiques indiquées cidessus, a par contre l'avantage, que la conversion de la tension analogique d'entrée s'effectue au moyen d'un convertisseur de tension proportionnel (ratiomètrie) en comparaison de deux tensions de référence, de préférence les tensions d'alimentation, de sorte que les influences des composantes matérielles sont éliminées Ce procédé peut être mis en oeuvre d'une façon particulièrement avantageuse pour des mesures de température, dans des véhicules automobiles, avec des résistances variant en The method according to the invention having the characteristics indicated above, on the other hand, has the advantage that the conversion of the input analog voltage is effected by means of a proportional voltage converter (ratiometry) in comparison with two voltages of reference, preferably the supply voltages, so that the influences of the material components are eliminated This method can be implemented in a particularly advantageous manner for temperature measurements, in motor vehicles, with varying resistances.

fonction de la température.temperature function.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les nombres d'impulsions sont comptés According to another characteristic of the invention, the numbers of pulses are counted

pendant un temps de porte prédéfini. during a predefined door time.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le temps de porte est susceptible d'être According to another characteristic of the invention, the door time is likely to be

modifié en fonction de la précision nécessaire. modified according to the necessary precision.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la représentation numérique de la tension d'entrée correspond à la représentation numérique d'un nombre d'impulsions relatif nin qui est calculé selon la formule: n Tzmax (Nin Nvss) 2 (Nvdd Nvss) dans laquelle Tzmax désigne le nombre maximal d'impulsions qui peut être compté pendant le temps de porte, Nin désigne le nombre d'impulsions comptées de la tension d'entrée, Nvss désigne le nombre d'impulsions de la tension de référence peu élevée, et Nvdd désigne le nombre d'impulsions de la tension de According to another characteristic of the invention, the digital representation of the input voltage corresponds to the digital representation of a relative number of pulses n1 which is calculated according to the formula: n Tzmax (Nin Nvss) 2 (Nvdd Nvss) where Tzmax is the maximum number of pulses that can be counted during the gate time, Nin is the number of counted pulses of the input voltage, Nvss is the number of pulses of the low reference voltage, and Nvdd denotes the number of pulses of the voltage of

référence élevée.high reference.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les nombres d'impulsions des tensions de référence sont à nouveau déterminés après un nombre prédéfini de conversions de tensions d'entrée ou bien According to another characteristic of the invention, the numbers of pulses of the reference voltages are again determined after a predefined number of input voltage conversions or else

après un temps prédéfini.after a predefined time.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la tension appliquée à l'entrée inversée du comparateur chute sur une résistance, en ce qu'à l'entrée non inversée du comparateur est appliquée une tension de référence, le condensateur de mémorisation est branché entre l'entrée inversée et l'entrée non inversée du comparateur, l'entrée de positionnement d'une bascule est reliée à la sortie du comparateur, à l'entrée de synchronisation de la bascule est appliqué un générateur de rythme, la sortie de la bascule est connectée à un compteur d'impulsions, un compteur de portes est relié au générateur de rythme et un inverseur inverse la sortie de la bascule et la ramène par l'intermédiaire d'une autre résistance à l'entrée According to another characteristic of the invention, the voltage applied to the inverted input of the comparator drops on a resistor, in that at the non-inverted input of the comparator is applied a reference voltage, the storage capacitor is connected between the inverted input and the non-inverted input of the comparator, the positioning input of a flip-flop is connected to the output of the comparator, to the synchronization input of the flip-flop is applied a rhythm generator, the output of the flip-flop is connected to a pulse counter, a door counter is connected to the clock generator and an inverter inverts the output of the flip-flop and returns it via another input resistor

inversée du comparateur.inverted comparator.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les tensions de référence sont des tensions d'alimentation et la tension de référence au comparateur est inférieure à la tension de référence élevée. oc Selon une autre caractéristique de J 3 D l'invention, la distance entre la tension d'entrée et l'entrée inversée du comparateur est plus grande que la résistance branchée entre l'inverseur et l'entrée According to another characteristic of the invention, the reference voltages are supply voltages and the comparator reference voltage is lower than the high reference voltage. According to another characteristic of the invention, the distance between the input voltage and the inverted input of the comparator is greater than the resistance connected between the inverter and the input.

inversée du comparateur.inverted comparator.

Un avantage particulier réside en ce que la précision du procédé et sa zone de conversion peuvent être modifiées très simplement par l'intermédiaire du temps de porte Il s'avère particulièrement avantageux que la représentation numérique de la tension d'entrée soit un nombre d'impulsions relatif qui est déterminé en formant la différence des nombres d'impulsions mesurés de la tension d'entrée et de la tension de référence plus élevée, et en formant la différence des nombres d'impulsions de la tension de référence élevée et de la tension de référence plus élevée, puis en formant ensuite le quotient de ces deux différences et en le multipliant par un facteur constant, ce qui peut être réalisé d'une façon simple par un circuit supplémentaire susceptible d'être intégré Il est également avantageux que les influences sur les résultats de la conversion des fluctuations de la tension d'alimentation soient supprimées dans une large mesure, grâce à l'actualisation des valeurs de mesure de tension de référence Un autre avantage du procédé réside en ce qu'il peut être mis en oeuvre par un circuit qui contient un seul condensateur de A particular advantage is that the accuracy of the process and its conversion area can be changed very simply by means of the gate time. It is particularly advantageous for the digital representation of the input voltage to be a number of times. relative pulses which is determined by forming the difference of the measured pulse numbers of the input voltage and the higher reference voltage, and forming the difference of the pulse numbers of the high reference voltage and the voltage of higher reference, then by then forming the quotient of these two differences and multiplying it by a constant factor, which can be realized in a simple manner by an additional circuit capable of being integrated. It is also advantageous that the influences on the results of the conversion of the fluctuations of the supply voltage are suppressed to a large extent, thanks to the Another advantage of the method lies in the fact that it can be implemented by a circuit which contains a single capacitor of

mémorisation, ce qui simplifie l'intégration. memorization, which simplifies integration.

Un exemple de réalisation de l'invention est représenté aux dessins cijoints et va être exposé An exemplary embodiment of the invention is shown in the attached drawings and will be exposed

plus en détail dans la description ci-après: in more detail in the description below:

la figure 1 montre un agencement de circuit pour la conversion analogique/numérique, la figure 2 est un diagramme fonctionnel FIG. 1 shows a circuit arrangement for the analog / digital conversion, FIG. 2 is a functional diagram.

pour l'exploitation des résultats de mesure. for the exploitation of measurement results.

A la figure 1, la référence 15 désigne un commutateur avec lequel on peut appliquer à volonté à l'entrée inversée d'un comparateur 18, par l'intermédiaire d'une première résistance 16, une tension d'entrée 10 à convertir, une tension de référence peu élevée 11 ou bien une tension de référence élevée 12 A l'entrée non inversée du comparateur 18, est appliquée une tension de référence 13 qui est inférieure à la tension de référence élevée 12 En tant que tension de référence 13, on peut par exemple choisir une tension dont la valeur est la moitié de celle de la tension de référence 12 Entre l'entrée inversée et l'entrée non inversée du comparateur 18 est branché un condensateur de mémorisation 17 La sortie du comparateur 18 est reliée à l'entrée de positionnement d'une bascule 21, à l'entrée de synchronisation duquel est appliqué un générateur de rythme 14, de sorte qu'à la sortie de la bascule 21, peuvent seulement apparaître des impulsions à la fréquence du générateur de rythme 14, ces impulsions étant comptées par un compteur d'impulsions 27 Au générateur de rythme 14 est en outre raccordé un compteur de porte 26 qui revient à zéro lorsqu'une valeur maximale Tzmax (Tzmax désignant le nombre maximal d'impulsions qui peut être compté pendant le temps de porte) est atteinte Un compteur de portes programmable 26, avec un verrouillage de valeur de porte, s'avère avantageux In FIG. 1, the reference 15 denotes a switch with which an input voltage 10 to be converted, an input voltage 10, can be applied at will to the inverted input of a comparator 18 via a first resistor 16. a low reference voltage 11 or a high reference voltage 12 At the non-inverted input of the comparator 18, a reference voltage 13 is applied which is lower than the high reference voltage 12 As a reference voltage 13, can for example choose a voltage whose value is half that of the reference voltage 12 Between the inverted input and the non-inverted input of the comparator 18 is connected a storage capacitor 17 The output of the comparator 18 is connected to the the positioning input of a flip-flop 21, at the synchronization input of which a timing generator 14 is applied, so that at the output of the flip-flop 21, impulse can only appear At the frequency of the timing generator 14, these pulses are counted by a pulse counter 27. In addition, the clock generator 14 is connected to a gate counter 26 which returns to zero when a maximum value Tzmax (Tzmax designating the number maximum of pulses that can be counted during the door time) is reached A programmable door counter 26, with a door value lock, proves to be advantageous

pour modifier le temps de porte.to change the door time.

La sortie inversée de la bascule 21 est rétrocouplée par l'intermédiaire de l'inverseur 19 et d'une seconde résistance 20 à l'entrée inversée du comparateur 18 Pour assurer la stabilité du circuit, la première résistance 16 doit être choisie plus grande que la seconde résistance 20, par exemple dans le rapport 3:2 Pour l'exploitation des résultats de mesure, on utilise un ensemble de calcul 25 avec au moins cinq autres registres 30 à 34, à côté du compteur d'impulsions 27 et du compteur de portes 26 et avec une unité de calcul 29 Le condensateur de mémorisation 17 est chargé, par l'intermédiaire de la première résistance 16, selon la mesure effectuée, soit par la tension d'entrée 10 ou bien par une des tensions de référence 11 ou 12 A l'entrée inversée du comparateur 18, s'applique alors la somme de la tension sur le condensateur de mémorisation 17 et de la tension de référence 13, et cette somme est comparée avec la tension de référence 13 s'appliquant à l'entrée non inversée du comparateur 18 Le compteur d'impulsions 27 enregistre alors seulement des impulsions lorsque la tension à l'entrée inversée du comparateur 18 est inférieure à la tension de référence 13 Dans ce cas, une impulsion positive est réinjectée par l'intermédiaire de l'inverseur 19 et augmente la tension sur le condensateur de mémorisation 17 Si la tension à l'entrée inversée du comparateur 18 est supérieure à la tension de référence 13-, une impulsion négative est alors réinjectée par l'intermédiaire de l'inverseur 19 et abaisse la tension sur le condensateur de mémorisation 17 Un compteur de portes 26 en liaison avec le générateur de rythme 14 détermine le temps de porte pendant lequel sont comptées les impulsions d'une tension 10, 11 ou 12, et détermine ainsi la précision The inverted output of the flip-flop 21 is retrocoupled via the inverter 19 and a second resistor 20 to the inverted input of the comparator 18. To ensure the stability of the circuit, the first resistor 16 must be chosen larger than the second resistor 20, for example in the ratio 3: 2 For the exploitation of the measurement results, a calculation unit 25 is used with at least five other registers 30 to 34, next to the pulse counter 27 and the counter The storage capacitor 17 is charged, via the first resistor 16, according to the measurement made, either by the input voltage 10 or by one of the reference voltages 11. or 12 At the inverted input of the comparator 18, then the sum of the voltage on the storage capacitor 17 and the reference voltage 13 is applied, and this sum is compared with the reference voltage 13 applies. The pulse counter 27 then records only pulses when the inverted input voltage of the comparator 18 is lower than the reference voltage 13. In this case, a positive pulse is reinjected by via the inverter 19 and increases the voltage on the storage capacitor 17 If the inverted input voltage of the comparator 18 is greater than the reference voltage 13-, a negative pulse is then reinjected via the inverter 19 and lowers the voltage on the storage capacitor 17 A gate counter 26 in connection with the clock generator 14 determines the gate time during which the pulses of a voltage 10, 11 or 12 are counted, and determines so the precision

du résultat de la conversion.of the result of the conversion.

A la figure 2 est représentée, à l'aide d'un diagramme fonctionnel simplifié, l'évolution de la mesure avec un agencement de circuit selon la figure 1 FIG. 2 shows, with the aid of a simplified functional diagram, the evolution of the measurement with a circuit arrangement according to FIG.

et l'exploitation de cette mesure dans un calculateur. and exploiting this measure in a calculator.

A l'étape 1, les registres 30 à 34 de l'ensemble de calcul 25 sont effacés et, en outre, le compteur de portes 26 et le compteur d'impulsions 27 sont mis à zéro Ensuite, débute le processus de mesure proprement dit A cet effet, une tension de référence, dans cet exemple la tension de référence élevée 12, est appliquée par l'intermédiaire du commutateur 15 Les impulsions à la sortie de la bascule 21 sont comptées jusqu'à ce que le compteur de portes 26 soit à nouveau à zéro Ceci est vérifié par l'interrogation 7 pour chaque impulsion de synchronisation du générateur de rythme 14 Si le temps de porte est écoulé, l'état du compteur d'impulsions est alors mémorisé à l'étape 2 dans un des registres 30 à 34, par exemple RA 34, de l'ensemble de calcul 25 en tant que nombre In step 1, the registers 30 to 34 of the calculation unit 25 are erased and, in addition, the gate counter 26 and the pulse counter 27 are set to zero. Then, the measurement process itself begins. For this purpose, a reference voltage, in this example the high reference voltage 12, is applied via the switch 15. The pulses at the output of the flip-flop 21 are counted until the gate counter 26 is This is verified by the interrogation 7 for each synchronization pulse of the timing generator 14 If the gate time has elapsed, the state of the pulse counter is then stored in step 2 in one of the registers. 30 to 34, for example RA 34, of the calculation set 25 as a number

d'impulsions de la tension de référence élevée 12. pulses of the high reference voltage 12.

Ensuite, le compteur d'impulsions 27 est relié à zéro et l'autre tension de référence, dans cet exemple la tension de référence peu élevée 11, est appliquée Les impulsions à la sortie de la bascule 21 sont à nouveau comptées jusqu'à ce que le temps de porte soit écoulé, ceci étant vérifié par l'interrogation 7 A l'étape 3, l'état du compteur d'impulsions est tout d'abord mémorisé dans un des registres 30 à 34, par exemple dans R 3 33, en tant que nombre d'impulsions de la tension de référence peu élevée 11 Ensuite, en tant que première différence, celle des nombres d'impulsions des deux tensions de référence 11 et 12 est formée et mémorisée dans Rl 31 Enfin, le compteur Then, the pulse counter 27 is connected to zero and the other reference voltage, in this example the low reference voltage 11, is applied. The pulses at the output of the flip-flop 21 are counted again until that the gate time has elapsed, this being verified by the interrogation 7 In step 3, the state of the pulse counter is first stored in one of the registers 30 to 34, for example in R 33 as a number of pulses of the low reference voltage 11 Then, as the first difference, that of the pulse numbers of the two reference voltages 11 and 12 is formed and stored in R 31 Finally, the counter

d'impulsions 27 est remis à zéro.pulse 27 is reset.

De la même façon qu'ont été comptées les impulsions des tensions de référence 11, 12, les impulsions de la tension d'entrée 10 sont également comptées A l'étape 4, en tant que seconde différence, celle des nombres d'impulsions de la tension d'entrée 10 et de la tension de référence peu élevée 11 est formée et mémorisée dans RO 30, la formation du quotient de la première et de la seconde différence et la multiplication par un facteur constant, qui dans cet exemple est la moitié du nombre maximal d'impulsions qui peut être compté pendant un temps de porte, s'effectue à l'étape 5 Lors de ce traitement on obtient comme résultat, un nombre d'impulsions relatif qui correspond à la représentation numérique de la tension d'entrée 10 à convertir et qui est indiquée à l'étape 6 Pour chaque processus de conversion, le procédé se déroule à partir de l'application d'une tension d'entrée 10 jusqu'à l'indication du résultat à l'étape 6 Les nombres d'impulsions des tensions de référence 11, 12 sont à nouveau déterminés après un nombre prédéfini de conversion ou bien après un temps prédéfini De cette façon, on peut compenser la dérive des parties In the same way as the pulses of the reference voltages 11, 12 have been counted, the pulses of the input voltage 10 are also counted. In step 4, as the second difference, that of the numbers of pulses of the input voltage 10 and the low reference voltage 11 are formed and stored in RO 30, the formation of the quotient of the first and the second difference and the multiplication by a constant factor, which in this example is half the maximum number of pulses that can be counted during a gate time, is carried out in step 5. In this process, the result is a number of relative pulses corresponding to the digital representation of the voltage of the gate. input 10 to be converted and which is indicated in step 6 For each conversion process, the method proceeds from the application of an input voltage to the indication of the result in step 6 The numbers of impulses Reference voltages 11, 12 are again determined after a predefined number of conversions or after a predefined time. In this way, the drift of the parts can be compensated for.

constituantes analogiques.analog components.

Le calcul du nombre d'impulsions relatif de la tension d'entrée à convertir est facilement possible en série, comme décrit dans l'exemple de réalisation, mais il peut également s'effectuer d'une The calculation of the relative number of pulses of the input voltage to be converted is easily possible in series, as described in the embodiment, but it can also be carried out in a

autre façon, par exemple en parallèle. other way, for example in parallel.

Claims

1. Method for analog conversion-

digital input voltage converter with an analog / digital converter, characterized in that a high reference voltage (12) is converted to a first proportional pulse number, while a low reference voltage (11) is converted to a second number of pulses proportional to this reference voltage (11), the pulse numbers of the reference voltages being stored, the input voltage (10) being converted into a third number of pulses. impulses proportional thereto, and the calculation of the analog value of the voltage being effected by forming the difference of the first and the second number of pulses, forming the difference of the second and the third number of pulses, and forming the quotient of these differences.

2. Method according to claim 1, characterized in that the numbers of pulses are

counted during a predefined door time.

3. Method according to claim 2, characterized in that the door time can be modified according to the accuracy

necessary.

4. Process according to any one of

Claims 1 to 3, characterized in that the

digital representation of the input voltage corresponds to the numerical representation of a relative number of pulses n1 which is calculated according to the formula: Tzmax (Nin Nvss) 2 (Nvdd Nvss) the maximum number in which Tzmax denotes pulses which can be counted during the gate time, Nin is the number of counted pulses of the input voltage (10), Nvss is the number of pulses of the low reference voltage (11), and Nvdd is the number pulses from the

high reference voltage (12).

5. Process according to any one of

Claims 1 to 4, characterized in that the

number of pulses of the reference voltages (11, 12) are again determined after a predefined number of input voltage conversions (10) or

well after a predefined time.

6. Circuit arrangement for analog-to-digital conversion of input voltages according to a

process according to any one of claims 1 to

with a comparator (18) at the inverted input of which can be applied, optionally by means of a switch (15), a low reference voltage (11), a high reference voltage (12) or a input voltage (10), and with a storage capacitor (17), a circuit arrangement characterized in that the voltage (10, 11, 12) applied to the inverted input of the comparator (18) drops on a resistor ( 16), in that at the non-inverted input of the comparator (18) is applied a reference voltage (13), in that the storage capacitor (17) is connected between the inverted input and the non-inverted input. inverted by the comparator (18), in that the positioning input of a flip-flop (21) is connected to the output of the comparator (18), in that at the synchronization input of the flip-flop (21) is applied a timing generator (14), in that the output of the flip-flop (21) is connected to a pulse counter (27) in that a door counter (26) is connected to the clock generator (14) and in that an inverter (19) inverts the output of the flip-flop and returns it via another resistor ( 20) at the entrance

inverted comparator (18).

Circuit arrangement according to Claim 6, characterized in that the reference voltages are supply voltages and that the reference voltage (13) to the comparator (18) is

lower than the high reference voltage (12).

8. Circuit arrangement according to one

any of claims 6 or 7, characterized in that

the distance (16) between the input voltage (10) and the inverted input of the comparator (18) is greater than the resistor (20) connected between the inverter (19) and the inverted input of the comparator

(18).