SE511428C2 - Analog till digital omvandling med succesiv approximation - Google Patents

Description

15 20 25 30 511 428 2 Ett annat problem är noggrannheten i referensvärdena. I en elektrisk ställer ett det vill krets värde in sig efter en exponentialkurva, säga ju längre tid som finns tillgänglig desto noggrannare blir värdet. Detta kan ge upphov till dynamiska fel och är ett hastighetsberoende problem.

M. P. V.

Nämnda problem kan lösas med en redundant kod, se ”A 12-BIT 500-NS Subranging ADC", IEEE Joural of Solid State Ciruits, 1498- 1506, Dec. 1989 flertal jämförelseelement och ett flertal Kolluri, vol. 24, no. 6, pp. alternativt kan användas ett referensnivàer, se P-E Danielsson, ”A/D-conversion employing successive approximation with dual comparators”, Report No. LiTH-ISY-R- 1796, 951004, Linköpings Universitet.

REnoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ett problem med att konvertera ett analogt signalvärde till ett digitalt signalvärde utnyttjande en successiv approximationsprincip är att ett sådant förfarande enligt teknikens ståndpunkt innefattar en hastighetsbegränsande faktor som beror av dess approximationsförfarande.

En avsikt med föreliggande uppfinning är att genom en förbättrad uppdelning av ett sökintervall och däri anordnade referensninvåer snabba upp approximationsförfarandet.

Föreliggande uppfinning angriper ovan nämnda problem genom att för varje sökintervall definiera minst tre områden, så att nämnda områden täcker hela sökintervallet och så att varje område överlappar minst ett andra område. Att varje sådant område definieras till ett nytt mindre sökintervall tills dess att ett sista sökintervall antar ett förutbestämt värde. Att en referensnivå definieras inom varje redundant parti så att N områden i ett sökintervall ger N-1 referensnivåer. Att minst en refernsnivà i varje sökintervall definieras till att sammanfalla med minst en annan referensnivå, där minst en sådan sammanfallande 10 15 20 25 30 3 511 428 referensnivá tillhör två sökintervall bildade av områden i ett närmast större sökintervall.

För erhållande av nämnda digitala signalvärde jämförs ett alla sökintervall varvid minst ett område i nämnda sökintervall vid det okänt samplat värde med referensnivàer i ett kan uteslutas, och att fortsatta successiva approximationsförfarandet okända alla sökintervallet, där varje val av jämförande referensnivå är jämförs det samplade värdet med referensvärdena i det nya mindre oberoende av utfallet i närmast föregående steg, tills dess att nämnda okända samplade värde kan bestämmas med en förutbestämd noggrannhet.

Ovan nämnda förfarande kan med fördel vara implementerad i en analog till digital omvandlare.

En fördel med föreliggande uppfinning är att approximationsförfarandet kan göras med làga konvergenskrav En annan fördel med föreliggande uppfinning är att den endast innefattar ett jämförelseelement Ytterligare en fördel med föreliggande uppfinning är att den underlättar en höghastighetsimplementering.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hjälp av föredragna utföringsformer och med hänvisning till bifogade ritningar.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en utföringsform av hur ett sökintervall från ett värde X till ett värde Y kan uppdelas enligt uppfinningen.

Figur 2 visar samma utföringsform av sökintervallets uppdelning som figur 1 vari referensnivàerna givits beteckningar. 10 15 20 25 30 511 428 4 Figur 3 visar ett flödesschema för approximationsförfarandet enligt uppfinningen.

Fönnnmsm. UTFöRINGsFommR I figur 1 visas ett sökintervall från ett värde X till ett värde Y som kan representera det värdeintervall i vilket ett skall till ett Nämnda sökintervall har uppdelats i okänt analogt signalvärde konverteras digitalt signalvärde. ett antal mindre sökintervall som i sin tur är uppdelade i olika områden för att med hjälp av ett successivt approximationsförfarande iterera sig fram till det önskade digitala signalvärdet.

Sökintervallet X-Y är i denna utföringsform först uppdelad i tre områden a, b och fc. Dessa områden är till sitt absolutbelopp lika stora. Område a börjar vid X-nivån och slutar någonstans innan Y-nivån. Område b varken börjar eller slutar vid något av ändvärdena X eller Y men har sin mittpunkt gemensam med X-Y intervallets mittpunkt. Område c börjar någonstans i X-Y intervallet och slutar vid Y-nivån.

Vart och ett av områdena a, b och c överlappar minst ett av de övriga områdena i samma sökintervall, det vill säga att område a överlappar åtminstone område b och att område c överlappar åtminstone område b. Område a och c kan överlappa varandra som i det visade utföringsexemplet i figur l. Med nämnda arrangemang av områdena skapas partier där så kallad således redundans i redundans uppkommer. Vi har utföringsexemplet i figur l i hela b-området.

I detta redundanta parti skall referensniváer anordnas. I det fall man använder sig av tre områden i ett sökintervall kan man se det som så att, om område a och område c inte överlappar varandra utan slutar och börjar i samma punkt, två olika redundanta partier skapas. Ett redundant parti som bildas av område c och b och ett annat redundant parti för område a och b. För redundant skall en varje parti 10 15 20 25 30 5 511428 referensnivå anordnas, det vill säga att för tre områden skall två referensnivåer anordnas och för fyra områden skall tre referensnivåer anordnas och för N områden skall N-1 referensnivåer anordnas. alltså två I utföringsexemplet i figur l skall referensnivåer anordnas i de redundanta partierna.

I figur 2 ser vi ett exempel på hur dessa referensnivåer kan anordnas i de redundanta partierna för utföringsexemplet enligt figur 1. Beroende av hur referensnivåerna placeras blir den effektiv. efterföljande sökproceduren mer eller mindre Område a, b och c har i nästa steg indelats i var sitt sökintervall, så att område a bildar ett nytt sökintervall innefattande områdena al, a2 och a3, så att område b bildar ett nytt sökintervall innefattande område bl, b2 och b3 och bildar ett c2 och c3. att område c nytt sökintervall innefattande områdena cl, I detta utföringsexempel har vart och ett av de nya mindre sökintervallen gjorts till en förminskad kopia av det närmast övre sökintervallet, det vill säga att sökintervallet innefattande områdena al, a2 och a3 är en förminskad kopia av sökintervallet innefattande områdena a, b och c.

Ett sökintervall kan innefatta tre områden medan ett annat sökintervall kan innefatta tre eller flera områden. Det finns alltså inga restriktioner på att sökintervallet innefattande områdena al, a2 och a3 skall innefatta lika många områden som sökintervallet som bildats ur område b eller c, inte heller behöver större sökintervall vara uppdelad i fler områden än ett mindre. Längden på de ingående områdena i ett sökintervall kan vara olika. Vart och ett av områdena al, a2 och a3 kan vara av olika längd, detsamma gäller för områdena i de övriga sökintervallen. 10 15 20 25 30 35 511428 lö I figur l har alltså område a, b och c bildat nya sökintervall innefattande nya områden al, a2, a3; bl, b2, b3 och cl, c2, c3 respektive.

I varje sådant nytt mindre sökintervall skall, likvärdigt med vad som sagts ovan, anordnas två eller flera referensnivàer beroende av antalet ingående områden. Minst en av referensnivåerna i vart och ett av nämnda nya mindre skall där minst en sådan annan referensnivå tillhör sökintervall vara gemensam med minst en annan referensnivå, ett sökintervall av samma indelningssteg, det vill säga att skall ha en gemensam referensnivå med sökintervallet bildat ur område b exempelvis sökintervallet bildat ur område a samt att en referensnivå tillhörande sökintervallet bildat ur område c skall ha en gemensam referensnivå med sökintervallet bildat ur område b. I figur 2 ser vi exempel som R4 och RS tillhörande' b3 och cl, på gemensamma referensnivàer så sökintervallen med områdena al, a2, a3; bl, b2, c2, c3. I det referensnivåerna för sökintervallet med områdena bl, visade utföringsexemplet i figur 2 blir båda b2 och b3 gemensam med en annan referensnivå.

Områdena al, a2, a3; bl, b2, sitt b3 och cl, c2, c3 har i nästa steg indelats i var sökintervall, så att område al bildar ett nytt sökintervall innefattande områdena all, al2 och al3, a2 bildar a22, a23, innefattande områdena a3l, bildar ett bl2 och bl3 så så att område ett nytt sökintervall så att område a3 bildar a32 och sökintervall innefattande områdena a2l, ett nytt sökintervall a33, så att innefattande områdena bll, område bl nytt att område b2 bildar ett nytt sökintervall innefattande områdena b2l, b22 b3 bildar ett b32 och b33, bildar ett nytt sökintervall innefattande område cll, cl2 c2 bildar ett och b23 så att område nytt sökintervall innefattande områdena b3l, så att område cl och cl3 så att område nytt sökintervall innefattande områdena c2l, c22 och c23 och att område c3 bildar ett nytt sökintervall innefattande områdena c3l, c32 lO 15 20 25 30 7 511428 och c33. I detta utföringsexempel har vart och ett av de nya mindre sökintervallen gjorts till en förminskad kopia av det närmast övre sökintervallet, det vill säga att exempelvis sökintervallet innefattande områdena all, al2 och a13 är en förminskad kopia av sökintervallet innefattande områdena al, a2 och a3.

På samma sätt som nämnts ovan vad det gäller placering av referensnivàer skall även dessa sökintervall innefatta N-l referensnivåer för N områden för sökintervallet i fråga. Det gäller även här att minst en referensnivà i varje sökintervall skall vara gemensam med minst en annan referensnivá, det vill säga att exempelvis sökintervallet bildat ur område al skall ha en gemensam referensnivå med sökintervallet bildat ur område a2 samt att en referensnivà tillhörande sökintervallet bildat ur omràde a3 skall ha en gemensanx referensnivà med sökintervallet bildat ur område a2. I figur 2 ser vi exempel på gemensamma referensnivàer Rl2, R13, Rl6 och R17. Ej såsom R8, R9, illustrerat men fullt tänkbart är att till exempel den gemensamma referensnivån R5 anordnas gemensam med den gemensamma referensnivån R13, på samma sätt kan den gemensamma referensnivån R9 anordnas att vara gemensam med den gemensamma referensnivån R4.

Indelningen enligt ovan utförs tills dess att det sista sökintervallet antar ett på förhand givet stoppvärde.

I figur 3 ser vi ett exempel på ett flödesschema för hur ett approximationsförfarandet kan utföras. Alla beteckningar i figur 3 är relaterade till figur 1 och figur 2.

I ett första steg jämförs ett okänt samplat värde V med den I detta fall skall betonas att nämnda första steg i jämförelsen inte behöver ena referensnivån för sökintervallet i fråga. är sökintervallet X-Y och referensnivån R2. Det starta fràn ursprungsintervallet som visas i figur 1 och 2. 10 15 20 25 30 35 511428 s Sökintervallet i fråga kan vara del i ett större sökintervall, det vill säga att även sökintervallet X-Y i figur 1 och 22 kan vara en del av ett från början större sökintervall. Med andra ord, approximationsförfarandet kan starta på ett godtyckligt sökintervall givet att det okända samplade värdet kan definieras att ingå i nämnda sökintervall.

Nästa steg i approximationsförfarandet jämförs det okända samplade värdet V med referensnivån Rl. Om i det första steget utfallet blev att det okända samplade värdet V var mindre än referesvärdet R2 hamnar vi i den vänstra grenen i figur 3. Om däremot utfallet blev så att det okända samplade värdet V 'var större än referensvärdet R2 hamnar vi i den Om V Onl V>R2 är område c högra grenen i figur 3. området a aktuellt och område c kan uteslutas. aktuellt och områdena a och b kan uteslutas. Anta nu att det förhåller sig som så att vi befinner oss i den vänstra grenen av flödesschemat i figur 3, det vill säga att det okända samplade värdet V var mindre än referensvärdet R2 och område a eller b är aktuellt. Oberoende av utfallet vid denna jmförelse mellan det okända samplade värdet V och referensvärdet Rl skall vi i nästa steg jämföra det okända samplade värdet V med R4. Detta kommer sig av att vi genom att anordna minst en referensnivå i vardera sökintervall gemensam med minst en annan referensnivå i ett annat sökintervall, där minst ett av nämnda ”annat sökintervall” dessutom har bildats av områden i ett närmast större sökintervall, kan förutspå vilket nästa referensvärde vi skall jämföra vårt okända samplade värde V med. Givet är att vi befinner oss i den vänstra grenen av flödesschemat i figur 3 och är i färd med att jämföra det okända samplade då kan vi på förhand förbereda skall okända samplade värdet och R4 oavhängigt av utfallet vid värdet med referensnivån Rl, oss för nästa jämförelse, ty denna ske mellan det jämförelsen med Rl. l0 15 20 25 30 35 9 511 428 I nästa steg skall vi alltså jämföra det okända samplade värdet V med referensvärdet R4. Beroende av om det okända samplade värdet V var mindre eller större än referensvärdet Rl hamnar vi i den vänstra respektive den högra grenen vid jämförelsen med R4. Antag nu att vi befinner oss i den vänstra grenen, det vill säga att vid jämförelsen med Rl var det okända samplade värdet V mindre än nämnda referensvärde Rl och att område a är aktuellt och område b kan uteslutas.

I nästa steg skall vi jämföra det okända samplade värdet V med R3 av den anledningen att för ett givet sökintervall, i detta fall sökintervallet som bildats av området a, skall vi jämföra det okända samplade värdet V med varje referensvärde för detta exempelvis det fall där ett skall det samplade värdet V jämföras med de tre referensnivàerna för sökintervall. I sökintervall innefattar fyra områden okända detta sökintervall.

I nästa steg skall vi alltså jämföra det okända samplade värdet V med referensvärdet R3 oavhängigt av utfallet i föregående steg. Vi kan även här förbereda jämförelsen med R3 redan då vi vet att vi hamnat i den vänstra grenen vid jämförelsen med R4. Genom att nästkommande steg hela tiden är oberoende av utfallet i steget innan kan två jämförelser ske i så att säga samma iterationsloop. Med andra ord, istället för att vänta på utfallet av en jämförelse mellan ett okänt samplat värde och en referensnivå kan nästa steg förberedes innan utfallet erhållits. På så sätt kan approximationsförfarandet snabbas upp genom att två jämförelser kan ske i. samma iterationsloop. Antag att vid jämförelsen med det okända samplade värdet med referensvärdet R4 blev utfallet att V en gång i den vänstra grenen och vi vet att områdena al och aktuella uteslutas. Vid skall V a2 är samt att område a3 kan jämförelsen med R3 vet vi att vid nästa steg jämföras med R8 oavhängigt utfallet vid jämförelsen med R3, O.S.V. 10 15 511 428 klo Ovan nämnda förfarande fortsätter tills dess att det okända samplade värdet V kan bestämmas med en på förhand preciserad noggrannhet.

I figur 3 har de jämförelser som är oberoende av det tidigare utfallet omringats med en streckad ruta, till exempel i figur tre kan vi se att jämförelsen i den vänstra grenen med R4 är oberoende av utfallet i det tidigare steget då det okända samplade värdet jämfördes med Rl.

Föreliggande approximationsförfarande kan ingå som en del i en analog till digital omvandlare. Då en sådan analog till digital omvandlare anses vara allmänt känd, liksom hur den fungerar och vad den är uppbyggd av, och inte hör till uppfinningen blir den inte här i mera detalj beskriven.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till de ovan beskrivna och på ritningarna visade utföringsformerna, utan kan modifieras inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (6)

10 15 20 25 30 11 511 428 PATENTKRAV

1. Förfarande vid analog till digital omvandling av successiv approximationstyp för konvertering av en analog signalvärde till ett digitalt signalvärde, innefattande följande steg: -att för varje sökintervall definieras minst tre områden, så att nämnda områden täcker hela sökintervallet och så att varje område överlappar minst ett andra område, -att varje sådant område definieras till ett nytt mindre sökintervall tills dess att ett sista sökintervall antar ett förutbestämt värde, -att en referensnivà definieras inom varje redundant parti så att N områden i ett sökintervall ger N-1 referensnivåer, -att minst en refernsnivà i varje sökintervall definieras till att sammanfalla med minst en annan referensnivå, där sådan sammanfallande referensnivå tillhör två bildade av minst en sökintervall områden i ett närmast större sökintervall, -att för erhållande av nämnda digitala signalvärde jämförs ett okänt samplat värde med alla referensnivàer i ett sökintervall varvid minst två områden i nämnda sökintervall kan uteslutas, och -att vid det fortsatta successiva approximationsförfarandet jämförs det okända samplade värdet med alla referensvärdena i det nya mindre sökintervallet, där varje val av jämförande referensnivá är oberoende av utfallet i närmast tills dess att värde kan bestämmas med en förutbestämd noggrannhet. föregående steg, nämnda okända samplade

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att varje nytt mindre sökintervall är en förminskning av närmast större sökintervall. 10 15 20 25 30 511 428 12

3. Förfarande enligt patentkrav 2, kännetecknat av att nämnda områden i varje sökintervall är till sitt absolutbelopp lika stora. till successiv approximationstyp för

4. Anordning för analog digital omvandling av konvertering av en analog signalvärde till ett digitalt signalvärde, kännetecknad av att den är anordnad att för varje sökintervall definiera hela sökintervallet och så att varje område överlappar minst ett minst tre områden, så att nämnda områden täcker annat område, att definiera varje sådant område till ett nytt mindre sökintervall tills dess att ett sista sökintervall antar ett förutbestämt värde, att definiera en referensnivå inom varje redundant parti så att N områden i definiera till där minst en ett sökintervall ger N-1 referensnivåer, att minst en refernsnivà i varje sökintervall att sammanfalla med minst en annan referensnivå, sådan sammanfallande referensnivå tillhör två sökintervall bildade av områden i ett närmast större sökintervall, att för erhållande av nämnda digitala signalvärde jämföra det okända samplade värdet med alla referensnivåer i ett sökintervall och utesluta minst två områden i nämnda sökintervall, och att vid det fortsatta successiva approximationsförfarandet jämföra det okända samplade värdet med alla referensvärdena i det nya mindre sökintervallet, där varje val av jämförande referensnivå är oberoende av utfallet i närmast föregående steg, tills dess att nämnda okända samplade värde antar en förutbestämd noggrannhet.

5. Anordning enligt patentkrav 4, kännetecknad av att den är anordnad att för varje nytt mindre sökintervall förminska närmast större sökintervall.

6. Anordning enligt patentkrav 5, kännetecknad av att den anordnar nämnda områden i varje sökintervall att till sitt absolutbelopp vara lika stora.