Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Wandler zum
Wandeln einer analogen Eingangsgröße in eine digitale Ausgangsgröße und insbesondere
auf einen Analog-Digital-Wandler, der mit einem Sensor in einer
Brückenschaltung
integriert ist.The
The present invention relates to an analog-to-digital converter for
Convert an analog input variable into a digital output variable and in particular
to an analog-to-digital converter with a sensor in one
bridge circuit
is integrated.
In
vielen Bereichen der Technik werden zunehmend Sensoren zum Erfassen
verschiedenster physikalischer Größen, beispielsweise Druck,
Kraft oder Beschleunigung, eingesetzt. Diese Sensoren sind in zunehmendem
Maße mikromechanische
Sensoren und arbeiten vor allem kapazitiv oder resistiv, d. h. daß die Meßgröße als analoge
Eingangsgröße eine
Kapazität
eines Kondensators oder einen Widerstand eines Widerstandsbauelements,
allgemein eine Impedanz eines Meß-Impedanzbauelements, beeinflußt.In
Many areas of technology are increasingly using sensors for detection
various physical quantities, for example pressure,
Force or acceleration. These sensors are increasing
Micromechanical dimensions
Sensors and work mainly capacitive or resistive, d. H. that the measurand as analog
Input variable one
capacity
a capacitor or a resistor of a resistance component,
generally affects an impedance of a measurement impedance component.
Die
relative Änderung
der Impedanz des Meß-Impedanzbauelements
ist dabei häufig
klein oder sehr klein. Typischerweise ändert sich die Impedanz innerhalb
des gesamten Meßbereichs
um eines oder wenige Promille. Um diese extrem kleinen Änderungen
genau und zuverlässig
zu erfassen, ist das Meß-Impedanzbauelement
vorzugsweise in einer Brückenschaltung
angeordnet, in der die Impedanz des Meß-Impedanzbauelements mit der
Impedanz eines Referenz-Impedanzbauelements verglichen wird.The
relative change
the impedance of the measuring impedance component
is common
small or very small. Typically, the impedance changes within
of the entire measuring range
by one or a few parts per thousand. About these extremely small changes
accurate and reliable
the measuring impedance component is to be recorded
preferably in a bridge circuit
arranged in which the impedance of the measuring impedance component with the
Impedance of a reference impedance component is compared.
Häufig umfaßt der Sensor
insgesamt zwei Meß-Impedanzbauelemente,
deren Impedanz von der Meßgröße bzw.
der analogen Eingangsgröße abhängig ist.
Wenn diese beiden Meß-Impedanzbauelemente
durch die analoge Eingangsgröße gleichsinnig
beeinflußt
werden, sind sie vorzugsweise in diametral gegenüberliegenden Zweigen der Meßbrücke angeordnet,
wobei in den anderen beiden diametral gegenüberliegenden Zweigen der Meßbrücke zwei
Referenz-Impedanzbauelemente angeordnet sind. Die Impedanzen der Meß-Impedanzbauelemente
sind vorzugsweise jeweils näherungsweise
gleich groß wie
die Impedanzen der jeweils benachbarten Meß-Impedanzbauelemente.Often the sensor includes
a total of two measuring impedance components,
whose impedance depends on the measured variable or
depends on the analog input variable.
If these two measuring impedance components
due to the analog input variable
affected
they are preferably arranged in diametrically opposite branches of the measuring bridge,
with two in the other two diametrically opposite branches of the measuring bridge
Reference impedance components are arranged. The impedances of the measuring impedance components
are preferably approximate
same size as
the impedances of the respectively adjacent measuring impedance components.
5 zeigt ein schematisches
Schaltungsdiagramm einer typischen herkömmlichen Meßanordnung mit einer Meßbrücke bzw.
Brückenschaltung 10,
die vier Knoten 12, 14, 16, 18 aufweist.
Zwischen dem ersten Knoten 12 und dem zweiten Knoten 14 der
Brückenschaltung 10 ist
als erstes Meß-Impedanzbauelement
ein erster Meß-Kondensator 22 geschaltet.
Zwischen den zweiten Knoten 14 und den dritten Knoten 16 der
Brückenschaltung 10 ist
ein erster Referenz-Kondensator 24 geschaltet. Zwischen
den dritten Knoten 16 und den vierten Knoten 18 ist
ein zweiter Meß-Kondensator 26 geschaltet.
Zwischen den vierten Knoten 18 und den ersten Knoten 12 der
Brückenschaltung 10 ist
ein zweiter Referenz-Kondensator 28 geschaltet. 5 shows a schematic circuit diagram of a typical conventional measuring arrangement with a measuring bridge or bridge circuit 10 who have favourited four knots 12 . 14 . 16 . 18 having. Between the first knot 12 and the second knot 14 the bridge circuit 10 is a first measuring capacitor as the first measuring impedance component 22 connected. Between the second knot 14 and the third knot 16 the bridge circuit 10 is a first reference capacitor 24 connected. Between the third knot 16 and the fourth knot 18 is a second measuring capacitor 26 connected. Between the fourth knot 18 and the first knot 12 the bridge circuit 10 is a second reference capacitor 28 connected.
Der
zweite Knoten 14 und der vierte Knoten 18 bilden
einen Eingang der Brückenschaltung 10,
der über
synchron betätigbare
Umschalter 32, 34 mit einer Referenz-Spannungsquelle 36 verbunden
ist, die eine stabile Referenzspannung Vref erzeugt.The second knot 14 and the fourth knot 18 form an input of the bridge circuit 10 , the via synchronously operated switch 32 . 34 with a reference voltage source 36 is connected, which generates a stable reference voltage V ref .
Die
Umschalter 32, 34 sind mit der Referenz-Spannungsquelle 36 und
dem zweiten Knoten 14 und dem vierten Knoten 18 der
Brückenschaltung 10 so
verbunden, daß durch
synchrones Umschalten der Umschalter 32, 34 die
Polarität,
mit der die Referenzspannung Vref an dem
Eingang der Brückenschaltung 10 anliegt,
umgeschaltet werden kann. Anders ausgedrückt erzeugen die Referenz-Spannungsquelle 36 und
die synchron periodisch betätigten
Umschalter 32, 34 zwischen dem vierten Knoten 18 und
dem zweiten Knoten 14 der Brückenschaltung 10 eine
Rechteckspannung, die periodisch zwischen +Vref und –Vref alterniert.The switch 32 . 34 are with the reference voltage source 36 and the second knot 14 and the fourth knot 18 the bridge circuit 10 connected so that the changeover switch is switched synchronously 32 . 34 the polarity with which the reference voltage V ref at the input of the bridge circuit 10 is present, can be switched. In other words, generate the reference voltage source 36 and the synchronous periodically operated changeover switches 32 . 34 between the fourth knot 18 and the second knot 14 the bridge circuit 10 a square wave voltage that alternates periodically between + V ref and -V ref .
Der
erste Knoten 12 und der dritte Knoten 16 bilden
einen Ausgang der Brückenschaltung 10.
Wenn zwischen dem vierten Knoten 18 und dem zweiten Knoten 14 der
Brückenschaltung 10 eine
Spannung Vein gleich ± Vref anliegt,
entsteht am unbelasteten bzw. leerlaufenden Ausgang der Brückenschaltung 10 zwischen dem
ersten Knoten 12 und dem dritten Knoten 16 eine
Ausgangsspannung wobei Cmeβ1 und
Cmeβ2 die
Kapazitäten
des erste Meß-Kondensators 22 bzw.
des zweiten Meß-Kondensators 26 und
Cref1 und Cref2 die
Kapazitäten
des ersten Referenz-Kondensators 24 bzw. des zweiten Referenz-Kondensators 28 sind.The first knot 12 and the third knot 16 form an output of the bridge circuit 10 , If between the fourth knot 18 and the second knot 14 the bridge circuit 10 a voltage V is applied a equal to ± V ref, arises at the unloaded or idle output of the bridge circuit 10 between the first node 12 and the third knot 16 an output voltage where C meβ1 and C meβ2 are the capacitances of the first measuring capacitor 22 or the second measuring capacitor 26 and C ref1 and C ref2 the capacitances of the first reference capacitor 24 or the second reference capacitor 28 are.
Die
Brückenschaltung 10 ist
abgeglichen, wenn die Ausgangsspannung Vaus unabhängig von
der Eingangsspannung Vei n Null
beträgt.
Dies ist der Fall, wenn Cref1·Cref2 = Cmeβ1·Cmeβ2 gilt,
also insbesondere wenn Cref1 = Cmeβ1 und
Cref 2 = Cmeβ2 ist.The bridge circuit 10 is balanced when the output voltage V out regardless of the on voltage V ei n is zero. This is the case if C ref1 · C ref2 = C meβ1 · C meβ2 , in particular if C ref1 = C meβ1 and C ref 2 = C meβ2 .
Die
Meß-Kondensatoren 22, 26 sind
Bestandteile eines Sensors zum Erfassen einer Meßgröße. Die Kapazitäten der
Meß-Kondensatoren 22, 26 sind
von der Meßgröße als analoger
Eingangsgröße abhängig. Beispielsweise
beträgt
die Kapazität
jedes Meß-Kondensators 22, 26 ca.
6 pF, wobei die Meßgröße innerhalb des
Meßbereichs
des Sensors die Kapazität
jedes Meß-Kondensators
22, 26 um ±20
fF verändert,
Cmeβ1 = Cmeβ2 =
6 pF ± 20
fF.The measuring capacitors 22 . 26 are components of a sensor for recording a measured variable. The capacitance of the measuring capacitors 22 . 26 are dependent on the measured variable as an analog input variable. For example, the capacitance of each measuring capacitor is 22 . 26 approx. 6 pF, the measured variable within the measuring range of the sensor changing the capacitance of each measuring capacitor 22, 26 by ± 20 fF, C meβ1 = C meβ2 = 6 pF ± 20 fF.
Die
zwischen dem ersten Knoten 12 und dem dritten Knoten 16 der
Brückenschaltung 10 anliegende Ausgangsspannung
Vaus wird einem Differenzverstärker 40 zugeführt, dessen
Eingänge 42, 46 mit
dem ersten Knoten 12 bzw. dem dritten Knoten 16 der
Brückenschaltung 10 verbunden
sind. Ein gegenüber
der Ausgangsspannung Vaus der Brückenschaltung 10 verstärktes bzw.
impedanzgewandeltes Signal des Differenzverstärkers 40 wird einem
Analog-Digital-Wandler 50 zugeführt, wofür hier symbolisch zwei Leitungen 52, 54 dargestellt
sind. Der Analog-Digital-Wandler 50 ist
in der Regel ein hochauflösender ΣΔ- Analog-Digital-Wandler.
Der Analog-Digital-Wandler 50 wandelt das durch den Differenzverstärker 40 verstärkte analoge
Ausgangssignal Vaus der Brückenschaltung 10 in
ein digitales Signal, das er an einem Ausgang 56 ausgibt,
und das eine Zahl darstellt, die die Größe der Ausgangsspannung Vaus der Brückenschaltung 10 repräsentiert.The one between the first knot 12 and the third knot 16 the bridge circuit 10 applied output voltage V out becomes a differential amplifier 40 fed whose inputs 42 . 46 with the first knot 12 or the third node 16 the bridge circuit 10 are connected. On compared to the output voltage V from the bridge circuit 10 amplified or impedance-converted signal of the differential amplifier 40 becomes an analog-to-digital converter 50 fed, for which here two lines symbolically 52 . 54 are shown. The analog-to-digital converter 50 is usually a high-resolution ΣΔ analog-digital converter. The analog-to-digital converter 50 converts that through the differential amplifier 40 amplified analog output signal V from the bridge circuit 10 into a digital signal that it has at an output 56 outputs, and represents a number representing the magnitude of the output voltage V from the bridge circuit 10 represents.
Die
oben angegebene Gleichung für
die Ausgangsspannung Vaus der Brückenschaltung 10 gilt
nur für den
idealisierten Fall eines unbelasteten Ausgangs der Brückenschaltung 10.
Jeder reale Differenzverstärker 40 weist
jedoch einen endlichen Eingangswiderstand zwischen seinen Eingängen 42, 46 auf.
Die Spannung Vaus bricht deshalb mit einer
Zeitkonstante zusammen, die vom Eingangswiderstand des Differenzverstärkers 40 und
den Kapazitäten
Cmeβ1,
Cme β2, Cref1,
Cref 2 der Kondensatoren 22, 24, 26, 28 in
der Brückenschaltung 10 abhängt. Aus
diesem Grund wird keine konstante Eingangsspannung Vein =
Vref an den Eingang der Brückenschaltung 10 angelegt,
sondern, wie oben bereits mit Bezug auf die synchron umzuschaltenden
Umschalter 32, 34 erklärt wurde, eine Rechteckspannung,
die periodisch alternierend die Werte ±Vref annimmt.The equation given above for the output voltage V from the bridge circuit 10 only applies to the idealized case of an unloaded output of the bridge circuit 10 , Any real differential amplifier 40 however has a finite input resistance between its inputs 42 . 46 on. Therefore, the voltage V from collapsing with a time constant of the input resistance of the differential amplifier 40 and the capacitances C meβ1 , C me β2 , C ref1 , C ref 2 of the capacitors 22 . 24 . 26 . 28 in the bridge circuit 10 depends. For this reason, constant input voltage V in = V ref to the input of the bridge circuit 10 created, but, as already above with reference to the toggle switches to be switched synchronously 32 . 34 was explained, a square-wave voltage that periodically takes on the values ± V ref .
6 zeigt ein schematisches
Diagramm, das die Abhängigkeit
des Ausgangssignals Vaus der Brückenschaltung 10 von
der Zeit t darstellt. Der Abszisse ist die Zeit t zugeordnet, der
Ordinate ist die Ausgangsspannung Vaus der
Brückenschaltung 10 zugeordnet.
Die dargestellte Zeitabhängigkeit
der Ausgangsspannung Vaus der Brückenschaltung 10 resultiert
aus der beschriebenen Rechteck-Eingangsspannung Vein,
die periodisch zwischen ± Vref alterniert. Die Periode T der Ausgangsspannung
Vaus entspricht der Periode der Eingangsspannung
Vein. In der Näherung einer niederohmigen
Referenz-Spannungsquelle 36 findet das Umladen der Kondensatoren 22, 24, 26, 28 der
Brückenschaltung 10 bei
jedem Wechsel der Polarität
der Eingangsspannung Vein instantan statt,
d. h. fallende bzw. steigende Flanken 62, 64 der
Ausgangsspannung Vaus sind beliebig steil
und fallen zeitlich mit den Polaritätswechseln der Eingangsspannung
Vein zusammen. Die Amplitude der Ausgangsspannung
Vaus bzw. die Werte ±Vaus0,
die die Ausgangsspannung Vaus unmittelbar
nach jeder Flanke 62, 64 annimmt, sind von der
Eingangsspannung Vein = ±Vref und,
wie oben beschrieben, von den Kapazitäten Cmeβ1,
Cref1, Cmeβ2,
Cref2 der Kondensatoren 22, 24, 26, 28 der
Brückenschaltung 10 abhängig. Da über den
Eingangswiderstand des Differenzverstärkers 40 eine Umladung
der Kondensatoren 22, 24, 26, 28 bzw. ein
Potentialausgleich zwischen dem ersten Knoten 12 und dem
dritten Knoten 16 der Brückenschaltung 10 stattfindet,
nimmt der Betrag der Ausgangsspannung Vaus nach
jeder Flanke 62, 64 bis zur nächsten Flanke 62, 64 mit
der Zeit t leicht ab. Dies ist in 6 durch
die nicht ganz horizontalen Abschnitte 66, 68 der
Ausgangsspannung Vaus dargestellt. 6 shows a schematic diagram showing the dependence of the output signal V from the bridge circuit 10 represents from time t. The time t is assigned to the abscissa, the output voltage V from the bridge circuit is assigned to the ordinate 10 assigned. The time dependence of the output voltage V from the bridge circuit shown 10 results from the described rectangle input voltage V, which periodically alternates between ± V ref. The period T of the output voltage V out corresponding to a the period of the input voltage V. In the approximation of a low-impedance reference voltage source 36 finds the reloading of the capacitors 22 . 24 . 26 . 28 the bridge circuit 10 with each change in the polarity of the input voltage V an instantaneous instead, ie falling or rising edges 62 . 64 the output voltage V out are any steeply and fall time with the polarity changes of the input voltage V a composite. The amplitude of the output voltage V out or the values ± V out0 , the output voltage V out immediately after each edge 62 . 64 assumes, are on the input voltage V a = ± V ref and, as described above, from the capacity C meβ1, C ref1, C meβ2, C ref2 of the capacitors 22 . 24 . 26 . 28 the bridge circuit 10 dependent. Because of the input resistance of the differential amplifier 40 a charge of the capacitors 22 . 24 . 26 . 28 or equipotential bonding between the first node 12 and the third knot 16 the bridge circuit 10 takes place, the amount of the output voltage V takes off after each edge 62 . 64 to the next edge 62 . 64 decreases slightly with time t. This is in 6 due to the not quite horizontal sections 66 . 68 the output voltage V out shown.
Ein
Beispiel für
eine Anwendung der Meßanordnung
aus 5 ist eine Vorrichtung
zum Überwachen des
Reifendrucks eines Fahrzeugs. Die Brückenschaltung 10 mit
den Meß-Kondensatoren 22, 26 des
Drucksensors und den Referenz-Kondensatoren 24, 28,
die Referenz-Spannungsquelle 36, die Umschalter 32, 34, der
Differenzverstärker 40 und
der Analog-Digital-Wandler 50 sind beispielsweise auf einem
Chip integriert, der zusammen mit einer Knopfzelle zur Stromversorgung
in der Felge eines Rads montiert ist. Der Chip umfaßt ferner
einen Sender für
eine drahtlose Funkverbindung, über
die der Chip mit einem Rechner im Fahrzeug kommuniziert und den
gemessenen und analog-digital-gewandelten Reifendruck an diesen überträgt.An example of an application of the measuring arrangement 5 is a device for monitoring the tire pressure of a vehicle. The bridge circuit 10 with the measuring capacitors 22 . 26 of the pressure sensor and the reference capacitors 24 . 28 , the reference voltage source 36 who have favourited Switchers 32 . 34 , the differential amplifier 40 and the analog-to-digital converter 50 are integrated, for example, on a chip that is mounted in the rim of a wheel together with a button cell for power supply. The chip also includes a transmitter for a wireless radio connection, via which the chip communicates with a computer in the vehicle and transmits the measured and analog-to-digital converted tire pressure to the latter.
Die
Vorgabe ist, daß der
Drucksensor während
der Lebensdauer der Felge, für
die beispielsweise zehn Jahre angenommen werden, funktioniert. Damit
die Batterie, deren Kapazität
typischerweise 250 mAh beträgt,
so lange hält,
wird der Reifendruck nur in regelmäßigen Abständen ermittelt und übertragen.
Die gesamte Meßanordnung
einschließlich
Brückenschaltung 10,
Referenz-Spannungsquelle 36, Differenzverstärker 40,
Analog-Digital-Wandler 50 wird deshalb die meiste Zeit
in einem Standby- bzw. Bereitschafts-Betriebsmodus gehalten und
für jede
Messung des Reifendrucks nur jeweils kurz aktiviert bzw. in einen
aktiven Betriebsmodus versetzt. Der mittlere Stromverbrauch der
Meßanordnung
und damit die Lebensdauer der Batterie werden somit wesentlich durch
das Verhältnis
zwischen der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer bzw. zwischen
den Zeiten, während
derer sich die Meßanordnung
in dem Bereitschafts-Betriebsmodus bzw. dem aktiven Betriebsmodus
befindet, bestimmt.The default is that the pressure sensor works during the life of the rim, which is assumed to be ten years, for example. So that the battery, whose capacity is typically 250 mAh, lasts so long, the tire pressure is only determined and transmitted at regular intervals. The entire measuring arrangement including bridge circuit 10 , Reference voltage source 36 , Differential amplifier 40 , Analog-digital converter 50 is therefore kept in a standby or standby operating mode most of the time and only briefly activated for each measurement of the tire pressure or in an active loading drive mode offset. The average power consumption of the measuring arrangement and thus the service life of the battery are thus essentially determined by the ratio between the on time and the off time or between the times during which the measuring arrangement is in the standby operating mode or the active operating mode.
Die
anhand der 5 und 6 beschriebene Meßanordnung
weist einen relativ hohen Stromverbrauch auf. Dies liegt einerseits
daran, daß ein ΣΔ-Analog-Digital-Wandler
Integratoren aufweist, wobei der integrierte analoge Wert während der
Betriebspausen bzw. während
des Bereitschafts-Betriebsmodus nicht gespeichert werden kann. Nach
jedem Einschalten bzw. nach jedem Übergang in den aktiven Betriebsmodus
muß deshalb zunächst abgewartet
werden, bis der ΣΔ-Analog-Digital-Wandler
eingeschwungen ist. Dadurch wird das Verhältnis zwischen Einschaltdauer
und Ausschaltdauer und somit der zeitlich Bemittelte Stromverbrauch
bzw. Leistungsbedarf der Meßanordnung
stark verschlechtert.The based on the 5 and 6 described measuring arrangement has a relatively high power consumption. On the one hand, this is due to the fact that a ΣΔ analog-digital converter has integrators, and the integrated analog value cannot be stored during the pauses in operation or during the standby operating mode. After each switch-on or after each transition to the active operating mode, you must therefore first wait until the ΣΔ analog-digital converter has settled. As a result, the ratio between the on-time and the off-time, and thus the time-averaged power consumption or power requirement of the measuring arrangement, is greatly deteriorated.
Ein
weiterer Grund für
den relativ hohen Stromverbrauch der anhand der 5 und 6 dargestellten Meßanordnung
liegt darin, daß eine
rauscharme Verstärkung
der sehr kleinen Ausgangsspannung Vaus der Brückenschaltung 10 einen
hohen Leistungsbedarf des Differenzverstärkers 40 bedingt.
Anders ausgedrückt muß dem Differenzverstärker 40 ein
bestimmter Strom spendiert werden, damit das Rauschen des Verstärkers nicht
größer als
das Signal selbst wird. Ein weiterer Grund für den relativ hohen Stromverbrauch
der Meßanordnung
liegt darin, daß die
Genauigkeit der Messung direkt von der Genauigkeit bzw. Stabilität der Referenz-Spannungsquelle 36 abhängt. Je
genauer die Messung erfolgen soll, desto höher ist deshalb der Leistungsbedarf
der Referenz-Spannungsquelle 36. Jeder einzelne beschriebene
Grund und alle zusammen bewirken eine drastische Begrenzung bzw.
Verkürzung
der Lebensdauer der Batterie.Another reason for the relatively high power consumption based on the 5 and 6 Measuring arrangement shown is that a low-noise amplification of the very small output voltage V from the bridge circuit 10 a high power requirement of the differential amplifier 40 conditionally. In other words, the differential amplifier 40 a certain current can be donated so that the noise of the amplifier does not exceed the signal itself. Another reason for the relatively high power consumption of the measuring arrangement is that the accuracy of the measurement is directly dependent on the accuracy or stability of the reference voltage source 36 depends. The more precise the measurement is to take place, the higher the power requirement of the reference voltage source 36 , Every single reason described and all together drastically limit or shorten the life of the battery.
Bei
integrierten Schaltungen ist besonders niederfrequentes Rauschen,
das sogenannte 1/f-Noise eine große Störquelle. Alternativ zu dem
oben genannten ΣΔ-Analog-Digital-Wandler
wird deshalb ein Wandler mit einem Kapazitätsnetzwerk und einem offset-kompensierten
Komparator verwendet, um keine zusätzliche Rauschquelle zu integrieren. 7 zeigt ein schematisches
Schaltungsdiagramm eines solchen Wandlers.In the case of integrated circuits, particularly low-frequency noise, the so-called 1 / f noise, is a major source of interference. As an alternative to the above-mentioned ΣΔ analog-digital converter, a converter with a capacitance network and an offset-compensated comparator is therefore used in order not to integrate an additional noise source. 7 shows a schematic circuit diagram of such a converter.
Der
Wandler weist ein Kapazitätsnetzwerk
mit einer Mehrzahl von ersten Kondensatoren 82a,..., 82z und
einer dazu symmetrischen Mehrzahl von zweiten Kondensatoren 84a,..., 84z auf.
Dieses Kapazitätsnetzwerk
aus den Kondensatoren 82a, ..., 82z, 84a,..., 84z dient
zum Speichern einer Eingangsspannung, die wiederum die durch einen
hier nicht dargestellten Verstärker
verstärkte
Ausgangsspannung einer Brückenschaltung
ist. Gleichzeitig weist das Kapazitätsnetzwerk durch Ladungsumverteilung
bei der Wandlung eine Digital-Analog-Wandler-Funktion
auf.The converter has a capacitance network with a plurality of first capacitors 82a , ..., 82z and a symmetrical plurality of second capacitors 84a , ..., 84z on. This capacitance network from the capacitors 82a , ..., 82z . 84a , ..., 84z serves to store an input voltage, which in turn is the output voltage of a bridge circuit amplified by an amplifier, not shown here. At the same time, the capacity network has a digital-analog converter function due to charge redistribution during the conversion.
Jeder
der ersten Kondensatoren 82a,..., 82z und der
zweiten Kondensatoren 84a,..., 84z ist durch einen
einer Mehrzahl von ersten Umschaltern 86a,..., 86z bzw.
durch einen einer Mehrzahl von zweiten Umschaltern 88a,..., 88z einzeln
steuerbar entweder mit einem ersten Eingang 92 oder einem
zweiten Eingang 94 verbindbar, wobei die Eingänge 92, 94 von
dem genannten Verstärker
das verstärkte
Ausgangssignal der Brückenschaltung
mit den Meß-Kondensatoren
erhalten. Die jeweils von den ersten Umschaltern 86a,..., 86z abgewandten
Elektroden der ersten Kondensatoren 82a,..., 82z sind
parallel mit einem ersten Eingang 102 eines Komparators 100 verbunden.
Die jeweils von den zweiten Umschaltern 88a,..., 88z abgewandten
Elektroden der zweiten Kondensatoren 84a,..., 84z sind
parallel mit einem zweiten Eingang 104 des Komparators 100 verbunden.
Der Komparator 100 ist hier als Differenzverstär ker mit
zwei Ausgangsgängen 106, 108 dargestellt. In
den Rückkoppelzweigen
des Differenzverstärkers
zwischen dem ersten Ausgang 106 und dem ersten Eingang 102 bzw.
zwischen dem zweiten Ausgang 108 und dem zweiten Eingang 104 sind
ein erster Schalter 112 bzw. ein zweiter Schalter 114 angeordnet.Each of the first capacitors 82a , ..., 82z and the second capacitors 84a , ..., 84z is by one of a plurality of first switches 86a , ..., 86z or by one of a plurality of second switches 88a , ..., 88z individually controllable either with a first input 92 or a second entrance 94 connectable, the inputs 92 . 94 receive the amplified output signal of the bridge circuit with the measuring capacitors from said amplifier. Each of the first switches 86a , ..., 86z electrodes facing away from the first capacitors 82a , ..., 82z are in parallel with a first input 102 a comparator 100 connected. Each of the second switch 88a , ..., 88z facing electrodes of the second capacitors 84a , ..., 84z are in parallel with a second input 104 of the comparator 100 connected. The comparator 100 is here as a differential amplifier with two output gears 106 . 108 shown. In the feedback branches of the differential amplifier between the first output 106 and the first entrance 102 or between the second exit 108 and the second entrance 104 are a first switch 112 or a second switch 114 arranged.
Die
Ausgänge 106, 108 des
Komparators 100 sind mit Eingängen 122, 124 einer
Logikschaltung 120 verbunden. Die Logikschaltung 120 steuert über einen
Steuerausgang 126 die ersten Umschalter 86a,..., 86z und
die zweiten Umschalter 88a,..., 88z einzeln an.The exits 106 . 108 of the comparator 100 are with entrances 122 . 124 a logic circuit 120 connected. The logic circuit 120 controls via a control output 126 the first switch 86a , ..., 86z and the second switch 88a , ..., 88z individually.
Die
Summe der Kapazitäten
derjenigen ersten Kondensatoren 82a,..., 82z,
die über
ihren jeweiligen ersten Umschalter 86a,..., 86z mit
dem ersten Eingang 92 des Analog-Digital-Wandlers verbunden
sind, und die Summe der Kapazitäten
derjenigen zweiten Kondensatoren 84a,..., 84z,
die über
ihren jeweiligen zweiten Umschalter 88a,..., 88z mit
dem zweiten Eingang 94 des Analog-Digital-Wandlers verbunden
sind, entsprechen bzw. sind bis auf einen konstanten Proportionalitätsfaktor
gleich einem Approximationswert für die (durch den Verstärker 40 verstärkte) Ausgangsspannung
Vaus der Brückenschaltung 10.
Das von der Logikschaltung 120 an ihren Eingängen 122, 124 empfangene
Ausgangssignal des Komparators 100 zeigt an, ob dieser
Approximationswert zu hoch oder zu niedrig ist. Abhängig davon
erzeugt die Logikschaltung 120 an ihrem Steuerausgang 126 Signale,
mit denen erste Umschalter 86a,..., 86z und zweite
Umschalter 88a,..., 88z gesteuert werden, um die
Gesamtkapazität
der mit dem ersten Eingang 92 verbundenen ersten Kondensatoren 82a,..., 82z und
die Gesamtkapazität
der mit dem zweiten Eingang 94 verbundenen zweiten Kondensatoren 84a,..., 84z zu
verringern oder zu erhöhen.
Dabei werden die ersten Umschalter 86a,..., 86z und
die zweiten Umschalter 88a,..., 88z synchron angesteuert,
d. h. es wird jeweils gleichzeitig ein erster Kondensator 82a,
..., 82z und ein zweiter Kondensator 84a,..., 84z gleicher
Kapazität
mit dem ersten Eingang 92 bzw. dem zweiten Eingang 94 verbunden
bzw. von demselben getrennt und gleichzeitig mit dem jeweils anderen
Eingang 92, 94 verbunden. Die Gesamtkapazität derjenigen
ersten Kondensatoren 82a,..., 82z, die mit dem
ersten Eingang 92 verbunden sind, ist deshalb jederzeit
gleich der Gesamtkapazität
derjenigen zweiten Kondensatoren 84a,..., 84z ist,
die mit dem zweiten Eingang 94 verbunden sind.The sum of the capacitances of those first capacitors 82a , ..., 82z that have their respective first switch 86a , ..., 86z with the first entrance 92 of the analog-to-digital converter, and the sum of the capacitances of those second capacitors 84a , ..., 84z that have their respective second switch 88a , ..., 88z with the second entrance 94 of the analog-digital converter are, correspond to or are, except for a constant proportionality factor, an approximation value for the (by the amplifier 40 amplified) output voltage V from the bridge circuit 10 , That from the logic circuit 120 at their entrances 122 . 124 received output signal of the comparator 100 indicates whether this approximation value is too high or too low. Depending on this, the logic circuit generates 120 at your wheel erausgang 126 Signals with which the first switch 86a , ..., 86z and second switch 88a , ..., 88z be controlled to the total capacity of the first input 92 connected first capacitors 82a , ..., 82z and the total capacity of that with the second input 94 connected second capacitors 84a , ..., 84z to decrease or increase. The first switches 86a , ..., 86z and the second switch 88a , ..., 88z controlled synchronously, ie a first capacitor is used at the same time 82a , ..., 82z and a second capacitor 84a , ..., 84z same capacity with the first input 92 or the second entrance 94 connected or separated from the same and simultaneously with the other input 92 . 94 connected. The total capacitance of those first capacitors 82a , ..., 82z that with the first entrance 92 are therefore always equal to the total capacitance of those second capacitors 84a , ..., 84z is that with the second input 94 are connected.
Die
Logikschaltung 120 geht dabei vorzugsweise nach einem Sukzessive-Approximation-Verfahren bzw.
Wägeverfahren
oder aber nach einem Zählverfahren
vor, wie sie beispielsweise in U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik,
Springer, 9. Auflage, 1989, in Abschnitt 23.6 ab Seite 769, beschrieben
sind. Nach Abschluß des
jeweiligen Approximationsverfahrens gibt die Logikschaltung 120 an
einem Ausgang 128 ein digitales Ausgangssignal bzw. eine
Zahl aus. Diese Zahl stellt die durch die Meßanordnung gemessene Meßgröße dar bzw.
ist zu dieser (bis auf einen Proportionalitätsfaktor und einen unvermeidlichen
Quantisierungsfehler) gleich.The logic circuit 120 preferably uses a successive approximation method or weighing method or a counting method, as described, for example, in U. Tietze, Ch. Schenk: Semiconductor Circuit Technology, Springer, 9th edition, 1989, in section 23.6 from page 769 , are described. After completing the approximation process, the logic circuit outputs 120 at an exit 128 a digital output signal or a number. This number represents the measured variable measured by the measuring arrangement or is the same (except for a proportionality factor and an unavoidable quantization error).
Der
anhand der 7 beschriebene
Analog-Digital-Wandler mit Kapazitätsnetzwerk kann den ΣΔ-Analog-Digital-Wandler
der in 5 dargestellten
Meßanordnung
ersetzen. Dabei kann jedoch nicht auf einen Verstärker zwischen
dem Ausgang 12, 16 der Brückenschaltung 10 und
Eingängen 92, 94 des
Analog-Digital-Wandlers
verzichtet werden. Der Grund dafür
liegt darin, daß geschaltete
Kapazitäten
wie die ersten Kondensatoren 82a, ..., 82z und
die zweiten Kondensatoren 84a,..., 84z des Kapazitätsnetzwerks
des Analog-Digital-Wandlers aus 7 ein
Rauschen erzeugen, das umso größer ist,
je kleiner die Kapazität
ist. Die Gesamtkapazität
des Kapazitätsnetzwerks
muß deshalb
eine Mindestgröße haben,
die sich aus diesem Rauschen ergibt. Das Rauschen ist zu der Temperatur
T proportional und zu der Kapazität C umgekehrt proportional,
sein Pegel beträgt
(kT/C)1/2, wobei k die Bolzmannkonstante
ist. Die folgende Tabelle zeigt einige Beispielsgrößen für den Zusammenhang
zwischen der Größe der Kapazität C, dem
Rausch pegel (kT/C)1/2 und der erreichbaren
Auflösung
ausgedrückt
in äquivalenten
Bits, wobei eine Spannung von 1 Vrms mit der jeweiligen Kapazität C gesampelt
bzw. erfaßt
wird.The based on the 7 described analog-to-digital converter with capacitance network can the ΣΔ analog-to-digital converter of the in 5 replace the measuring arrangement shown. However, it cannot be an amplifier between the output 12 . 16 the bridge circuit 10 and entrances 92 . 94 of the analog-digital converter can be dispensed with. The reason for this is that switched capacitors like the first capacitors 82a , ..., 82z and the second capacitors 84a , ..., 84z of the capacity network of the analog-digital converter 7 generate a noise that is larger the smaller the capacitance. The total capacity of the capacity network must therefore have a minimum size resulting from this noise. The noise is proportional to the temperature T and inversely proportional to the capacitance C, its level is (kT / C) 1/2 , where k is the Bolzmann constant. The following table shows some example quantities for the relationship between the size of the capacitance C, the noise level (kT / C) 1/2 and the achievable resolution expressed in equivalent bits, with a voltage of 1 Vrms being sampled with the respective capacitance C or is detected.
Wenn
man den Analog-Digital-Wandler ohne Puffer bzw. Buffer und ohne
einen zwischengeschalteten Verstärker
mit dem Ausgang der Brückenschaltung 10 verbindet,
wird das Nutzsignal, das durch die maximal ±20 fF große Änderung der Kapazitäten der
Meß-Kondensatoren 22, 26 entsteht,
nicht nur durch die 6 pF großen
Kapazitäten
der Kondensatoren 22, 24, 26, 28 der
Brückenschaltung 10,
sondern darüber
hinaus auch noch durch das Kapazitätsnetzwerk des Analog-Digital-Wandlers
selbst abgeschwächt
bzw. kapazitiv geteilt.If you have the analog-digital converter without a buffer or buffer and without an intermediate amplifier with the output of the bridge circuit 10 connects, the useful signal is caused by the maximum ± 20 fF large change in the capacitance of the measuring capacitors 22 . 26 arises, not only due to the 6 pF capacitance of the capacitors 22 . 24 . 26 . 28 the bridge circuit 10 , but also weakened or capacitively divided by the capacity network of the analog-digital converter itself.
Aus
diesen Gründen
ist eine Verwendung eines Verstärkers
erforderlich. Dadurch wird jedoch wieder der Leistungsbedarf der
gesamten Meßandordnung
erhöht.Out
these reasons
is a use of an amplifier
required. However, this will reduce the power requirements of the
entire measuring order
elevated.
Das
vorangehend beschriebene Problem eines für viele Anwendungen zu hohen
Leistungsbedarfs eines mit einer Brückenschaltung integrierten
Analog-Digital-Wandlers ist nicht auf Drucksensoren und auch nicht
auf kapazitive Brückenschaltungen
und Analog-Digital-Wandler mit Kapazitätsnetzwerk beschränkt. Gleiche
oder ähnliche
Probleme treten bei Sensoren für
verschiedenste Meßgrößen, bei
resistiven und induktiven Sensoren und entsprechenden Brückenschaltungen
auf.The problem described above of a power requirement, which is too high for many applications, of an analog-digital converter integrated with a bridge circuit is not limited to pressure sensors and also not to capacitive bridge circuits and analog-digital converters with a capacitance network. The same or similar problems occur with sensors for a wide variety of measured variables, with resistive and inductive Sensors and corresponding bridge circuits.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Analog-Digital-Wandler
zum Wandeln einer analogen Eingangsgröße in eine digitale Ausgangsgröße, ein
Verfahren zum Wandeln einer analogen Eingangsgröße in eine digitale Ausgangsgröße und ein
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung eines solchen Verfahrens
zu schaffen.The
The object of the present invention is an analog-to-digital converter
for converting an analog input variable into a digital output variable
Method for converting an analog input variable into a digital output variable and a
Computer program with program code for carrying out such a method
to accomplish.
Diese
Aufgabe wird durch einen Analog-Digital-Wandler gemäß Anspruch
1, ein Verfahren gemäß Anspruch
15 und ein Computerprogramm gemäß Anspruch
19 gelöst.This
Object is achieved by an analog-digital converter according to claim
1, a method according to claim
15 and a computer program according to claim
19 solved.
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Brückenschaltung,
die die Meß-Kondensatoren
oder allgemeiner die Meß-Impedanzbauelemente
umfaßt,
selbst als Sample- bzw. Abtast-Kapazität zu verwenden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Mehrzahl von Kompensation-Impedanzbauelementen
selektiv einzeln zu einer Brückenimpedanz
einer Brückenschaltung
zuschaltbar. Dadurch kann eine durch eine Meßgröße bzw. eine analoge Eingangsgröße hervorgerufene Änderung
einer Impedanz eines Meß-Impedanzbauelements,
die zu einer Verstimmung der Brückenschaltung
führt,
kompensiert werden, um die Brückenschaltung
wieder abzustimmen.The
The present invention is based on the idea of the bridge circuit,
the measuring capacitors
or more generally the measuring impedance components
comprises
to be used as sample or sampling capacity. According to the present
The invention is a plurality of compensation impedance components
selectively individually to a bridge impedance
a bridge circuit
switchable. This can result in a change caused by a measured variable or an analog input variable
an impedance of a measuring impedance component,
leading to a detuning of the bridge circuit
leads,
to be compensated for the bridge circuit
to vote again.
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die während der
Analog-Digital-Wandlung stattfindende Digital-Analog-Wandlung einer Approximationszahl
in einen analogen Approximationswert, der mit der analogen Eingangsgröße verglichen
wird, durch das steuerbare Zuschalten der Kompensationskondensatoren
direkt an der Brückenschaltung
stattfindet. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dabei zu jedem Zeitpunkt nur bestimmt, in welche
Richtung die Brückenschaltung
verstimmt ist. Dazu ist lediglich ein einfacher Komparator erforderlich.
Im Gegensatz zu dem herkömmlichen
Verstärker
zum Verstärken
des Ausgangssignals der Brückenschaltung
muß dieser
einfache Komparator nur geringe Anforderungen erfüllen. Er
ist deshalb einfach zu entwerfen und herzustellen weist und einen
geringen Leistungsbedarf auf.On
Advantage of the present invention is that during the
Analog-to-digital conversion Digital-to-analog conversion of an approximation number taking place
into an analog approximation value, which is compared with the analog input variable
through the controllable connection of the compensation capacitors
directly at the bridge circuit
takes place. According to the present
Invention is only determined at any point in time
Towards the bridge circuit
is out of tune. All that is required is a simple comparator.
In contrast to the conventional one
amplifier
for reinforcement
the output signal of the bridge circuit
must this
simple comparator meet only minor requirements. He
is therefore easy to design and manufacture and has one
low power requirement.
Ferner
geht die Größe bzw.
Amplitude der Eingangsspannung der Brückenschaltung nicht in die Wandlung
ein. Die Anforderungen an die Spannungsquelle, die die Eingangsspannung
der Brückenschaltung erzeugt,
sind deshalb ebenfalls gering, weshalb eine einfache Spannungsquelle
mit geringem Entwurfs- und Herstellungsaufwand und geringem Leistungsbedarf
verwendbar ist.Further
does the size or
Amplitude of the input voltage of the bridge circuit does not change
on. The requirements for the voltage source, the input voltage
the bridge circuit generates,
are therefore also low, which is why a simple voltage source
with low design and manufacturing costs and low power requirements
is usable.
Im
Falle einer periodisch alternierenden Eingangsspannung der Brückenschaltung
(beispielsweise bei einer kapazitiven oder induktiven Brückenschaltung)
ist insbesondere auch keine bestimmte Zeitabhängigkeit der periodischen Eingangsspannung
erforderlich, vielmehr ist eine nahezu beliebige periodisch alternierende Zeitabhängigkeit
der Eingangsspannung möglich.
Dies bedeutet eine weitere Vereinfachung bei Entwurf und Herstellung
der Spannungsquelle. Insbesondere kann die Spannungsquelle ohne
Rücksicht
auf die Qualität der
von ihr erzeugten Eingangsspannung auf einen geringen Leistungsbedarf
optimiert werden.in the
In the case of a periodically alternating input voltage to the bridge circuit
(for example with a capacitive or inductive bridge circuit)
is in particular also not a specific time dependency of the periodic input voltage
an almost arbitrary periodically alternating time dependency is required
of the input voltage possible.
This means a further simplification in design and manufacture
the voltage source. In particular, the voltage source can be without
consideration
on the quality of the
input voltage generated by it to a low power requirement
be optimized.
Bevorzugte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.preferred
Further developments of the present invention are defined in the subclaims.
Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren
näher erläutert. Es
zeigen:following
become preferred embodiments
of the present invention with reference to the accompanying figures
explained in more detail. It
demonstrate:
1 ein schematisches Schaltungsdiagramm
eines Analog-Digital-Wandlers
gemäß einem
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; 1 is a schematic circuit diagram of an analog-digital converter according to a first preferred embodiment of the present invention;
2 eine schematische Darstellung
der Zeitabhängigkeit
eines Signals in dem Ausführungsbeispiel aus 1; 2 a schematic representation of the time dependence of a signal in the embodiment 1 ;
3 ein schematisches Schaltungsdiagramm
eines Komparators gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; 3 is a schematic circuit diagram of a comparator according to another embodiment of the present invention;
4A ein schematisches Schaltungsdiagramm
einer Differenzverstärkerstufe
des Komparators aus 3; 4A a schematic circuit diagram of a differential amplifier stage of the comparator 3 ;
4B eine schematische Darstellung
der Zeitabhängigkeit
eines Signals der Differenzverstärkerstufe
aus 4A; 4B a schematic representation of the time dependence of a signal of the differential amplifier stage 4A ;
5 ein schematisches Schaltungsdiagramm
eines herkömmlichen
Analog-Digital-Wandlers; 5 is a schematic circuit diagram of a conventional analog-to-digital converter;
6 eine schematische Darstellung
der Zeitabhängigkeit
eines Signals in einem herkömmlichen Analog-Digital-Wandler;
und 6 is a schematic representation of the time dependence of a signal in a conventional analog-to-digital converter; and
7 ein schematisches Schaltungsdiagramm
eines weiteren Analog-Digital-Wandlers. 7 a schematic circuit diagram of another analog-to-digital converter.
1 ist ein schematisches
Schaltungsdiagramm eines Analog-Digital-Wandlers
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Der Analog-Digital-Wandler umfaßt eine
Brückenschaltung 10 mit
vier Knoten 12, 14, 16, 18.
Ein erster Meß-Kondensator 22 mit
einer von einer analogen Eingangsgröße abhängigen Kapazität Cmeβ1 ist
zwischen den ersten Knoten 12 und den zweiten Knoten 14 geschaltet.
Ein erster Referenz-Kondensator 24 mit einer Kapazität Cref1 ist zwischen den zweiten Knoten 14 und den
dritten Knoten 16 geschaltet. Ein zweiter Meß-Kondensator 26 mit
einer von der analogen Eingangsgröße abhängigen Kapazität Cmeβ2 ist
zwischen den dritten Knoten 16 und den vierten Knoten 18 geschaltet.
Ein zweiter Referenz-Kondensator mit einer Kapazität Cref2 ist zwischen den vierten Knoten 18 und
den ersten Knoten 12 geschaltet. Der zweite Knoten 14 und
der vierte Knoten 18 bilden einen Eingang der Brückenschaltung 10. Der
erste Knoten 12 und der dritte Knoten 16 bilden
einen Ausgang der Brückenschaltung 10. 1 10 is a schematic circuit diagram of an analog-to-digital converter according to a preferred embodiment of the present invention. The analog-to-digital converter comprises a bridge circuit 10 with four knots 12 . 14 . 16 . 18 , A first measuring capacitor 22 with a capacitance C meβ1 dependent on an analog input variable is between the first nodes 12 and the second knot 14 connected. A first reference capacitor 24 with a capacitance C ref1 is between the second nodes 14 and the third knot 16 connected. A second measuring capacitor 26 with a capacitance C meβ2 dependent on the analog input variable is between the third nodes 16 and the fourth knot 18 connected. A second reference capacitor with a capacitance C ref2 is between the fourth nodes 18 and the first knot 12 connected. The second knot 14 and the fourth knot 18 form an input of the bridge circuit 10 , The first knot 12 and the third knot 16 form an output of the bridge circuit 10 ,
Der
Eingang der Brückenschaltung
ist über
synchron betätigbare
Umschalter 32, 34 so mit einer Spannungsquelle 136,
die eine vorzugsweise zumindest näherungsweise konstante Ausgangsspannung
V0 erzeugt, verbunden, daß die
Polarität
des zweiten Knotens 14 und des vierten Knotens 18 der
Brückenschaltung umschaltbar
bzw. vertauschbar ist bzw. daß die
zwischen dem vierten Knoten 18 und dem zweiten Knoten 14 anliegende
Eingangsspannung Ve in der
Brückenschaltung 10 umschaltbar
Vei n = ±V0 beträgt.The input of the bridge circuit is via synchronously operated changeover switches 32 . 34 so with a voltage source 136 , which generates a preferably at least approximately constant output voltage V0, connected that the polarity of the second node 14 and the fourth node 18 the bridge circuit is switchable or interchangeable or that between the fourth node 18 and the second knot 14 applied input voltage V e in the bridge circuit 10 switchable V ei n = ± V 0 .
Der
Ausgang der Brückenschaltung 10 ist
mit einem Komparator 140 verbunden, wobei ein erster Eingang 142 des
Komparators 140 mit dem ersten Knoten 12 der Brückenschaltung 10 verbunden
ist, und wobei ein zweiter Eingang 144 des Komparators 140 mit
dem dritten Knoten 16 der Brückenschaltung 10 verbunden ist.
Ausgänge 146, 148 des
Komparators 140 sind mit einer Logikschaltung 150 bzw.
deren Eingänge 152, 154 verbunden.
Die Logikschaltung 150 umfaßt eine Schaltsteuereinrichtung 160 mit
Steuerausgängen 162, 164 und
eine Bestimmungseinrichtung 170 mit einem Ausgang 172.The output of the bridge circuit 10 is with a comparator 140 connected, with a first input 142 of the comparator 140 with the first knot 12 the bridge circuit 10 is connected, and being a second input 144 of the comparator 140 with the third knot 16 the bridge circuit 10 connected is. outputs 146 . 148 of the comparator 140 are with a logic circuit 150 or their inputs 152 . 154 connected. The logic circuit 150 comprises a switching control device 160 with control outputs 162 . 164 and a determination device 170 with an exit 172 ,
Eine
Mehrzahl von ersten Kompensationskondensatoren 182a, ..., 182z ist
parallel über
einen ersten Abschwächungskondensator 184 mit
der Kapazität
Ck1 mit dem dritten Knoten 16 der
Brückenschaltung 10 verbunden.
Die von dem ersten Abschwächungskondensator 184 jeweils
abgewandten Elektroden der ersten Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z sind
durch je einen steuerbaren ersten Umschalter 186a,..., 186z umschaltbar
alternativ mit einem der beiden Pole der Spannungsquelle 136 verbunden.A plurality of first compensation capacitors 182a , ..., 182z is in parallel across a first attenuation capacitor 184 with the capacitance C k1 with the third node 16 the bridge circuit 10 connected. That of the first attenuation capacitor 184 electrodes facing away from the first compensation capacitors 182a , ..., 182z are each controlled by a controllable first switch 186a , ..., 186z switchable alternatively with one of the two poles of the voltage source 136 connected.
Eine
Mehrzahl von zweiten Kompensationskondensatoren 192a, ..., 192z ist
parallel über
einen zweiten Abschwächungskondensator 194 mit
der Kapazität
Ck2 mit dem ersten Knoten 12 der
Brückenschaltung 10 verbunden.
Die von dem zweiten Abschwächungskondensator 194 jeweils
abgewandten Elektroden der zweiten Kompensationskondensatoren 192a,..., 192z sind über je einen
steuerbaren zweiten Umschalter 196a,..., 196z umschaltbar
alternativ mit einem der beiden Pole der Spannungsquelle 136 verbunden.
Zur Verbindung der ersten Umschalter 186a,..., 186z und
der zweiten Umschalter 196a,..., 196z mit den
Polen der Spannungsquelle 136 dienen Stromschienen 198, 198'.A plurality of second compensation capacitors 192a , ..., 192z is in parallel across a second attenuation capacitor 194 with the capacitance C k2 with the first node 12 the bridge circuit 10 connected. That of the second attenuation capacitor 194 electrodes of the second compensation capacitors facing away from each other 192a , ..., 192z are each via a controllable second switch 196a , ..., 196z switchable alternatively with one of the two poles of the voltage source 136 connected. To connect the first switch 186a , ..., 186z and the second switch 196a , ..., 196z with the poles of the voltage source 136 serve busbars 198 . 198 ' ,
Die
Ausgangsspannung Vaus zwischen dem ersten
Knoten 12 und dem dritten Knoten 16 der Brückenschaltung 10 hängt, wie
bereits eingangs festgestellt, von der zwischen dem vierten Knoten 18 und
dem zweiten Knoten 14 der Brückenschaltung 10 anliegenden
Eingangsspannung Vein und den Kapazitäten Cmeβ1,
Cme β2, Cref 1, Cref 2 wie
folgt ab: The output voltage V out between the first node 12 and the third knot 16 the bridge circuit 10 depends, as already stated at the beginning, on the one between the fourth node 18 and the second knot 14 the bridge circuit 10 applied input voltage V and the capacity C meβ1, C me β2, C ref 1, ref 2 C as follows:
Der
Komparator 140 vergleicht die Potentiale am ersten Knoten 12 und
am dritten Knoten 16 der Brückenschaltung 10 und
gibt ein Signal an die Logikschaltung 150 aus, das anzeigt,
ob die Spannung Vaus größer oder kleiner als Null ist.
Es werden also lediglich die Vorzeichen aus obiger Gleichung betrachtet: wobei
sgn(x) die Signum-Funktion ist, die für x > 0 den Wert +1 und für x < 0 den Wert –1 annimmt. Die Stellung der
Umschalter 32, 34 bestimmt das Vorzeichen bzw.
die Polarität
der Eingangsspannung Vein der Brückenschaltung 10.
Das Ausgangssignal des Komparators 140, zeigt das Vorzeichen
bzw. die Polarität
des Ausgangssignals Vaus der Brückenschaltung 10 an
und ist der Logikschaltung 150 vorzugsweise direkt oder
indirekt bekannt. Die Logikschaltung 150 kann somit aufgrund
eines Vergleichs der Vorzeichen sgn(Vaus),
sgn(Vein) des Ausgangssignals Vaus und
des Eingangssignals Vein feststellen, in
welche Richtung die Brückenschaltung 10 verstimmt
ist. Abhängig
davon betätigt
die Schaltsteuereinrichtung 160 über Steuersignale, die sie
an den Ausgängen 162, 164 erzeugt,
einen ersten Umschalter 186a,..., 186z, um den
zugeordneten ersten Kompensationskondensator 182a,..., 182z entweder
dem ersten Referenz-Kondensator 24 oder dem zweiten Meß-Kondensator 26 zuzuschalten,
und/oder einen zweiten Umschalter 192a,..., 192z,
um den zugeordneten zweiten Kompensationskondensator 192a,..., 192z entweder
dem zweiten Referenz-Kondensator 28 oder dem ersten Meß-Kondensator 22 zuzuschalten.The comparator 140 compares the potentials at the first node 12 and on the third knot 16 the bridge circuit 10 and gives a signal to the logic circuit 150 off, which indicates whether the voltage V out is greater or less than zero. So only the signs from the above equation are considered: where sgn (x) is the signum function, which assumes the value +1 for x> 0 and the value -1 for x <0. The position of the switch 32 . 34 the sign or the polarity of the input voltage V of the bridge circuit determines a 10 , The output signal of the comparator 140 , shows the sign or the polarity of the output signal V from the bridge circuit 10 on and is the logic circuit 150 preferably known directly or indirectly. The logic circuit 150 Thus, based on a comparison of the sign sgn (V in), (V a) sgn of the output signal V out and the input signal V a to determine the direction in which the bridge circuit 10 is out of tune. Depending on this, the switching control device operates 160 via control signals that they have at the outputs 162 . 164 generated a first switch 186a , ..., 186z to the assigned first compensation capacitor 182a , ..., 182z either the first reference capacitor 24 or the second measuring capacitor 26 connect, and / or a second switch 192a , ..., 192z to the assigned second compensation capacitor 192a , ..., 192z either the second reference capacitor 28 or the first measuring capacitor 22 to switch on.
Wie
in 1 erkennbar ist,
ist beispielsweise bei den dargestellten Schalterstellungen der
ersten Umschalter 186a, ..., 186z und der Umschalter 32, 34 die
Gesamtkapazität
der parallel geschalteten ersten Kompensationskondensatoren 182a,
..., 182z (abgeschwächt
durch den in Serie geschalteten ersten Abschwächungskondensator 184)
parallel zu dem ersten Referenz-Kondensator 24 geschaltet.
Desgleichen ist bei den dargestellten Schalterstellungen der zweiten
Umschalter 192a, ..., 192z und der Umschalter 32, 34 die
Gesamtkapazität
der parallel geschalteten zweiten Kondensatoren 192a,..., 192z (abgeschwächt durch
den in Serie geschalteten zweiten Abschwächungskondensator 194)
parallel zu dem zweiten Referenz-Kondensator 28 geschaltet.
Es ist ferner erkennbar, daß durch
Umschalten von einem der ersten Umschalter 186a,..., 186z bzw.
von einem der zweiten Umschalter 196a,..., 196z von
der dargestellten Schalterstellung in die nichtdargestellte Schalterstellung
erreicht wird, daß der
zugeordnete erste Kompensationskondensator 182a,..., 182z statt
dem ersten Referenz-Kondensator 24 dem zweiten Meß-Kondensator 26 zugeschaltet
wird bzw. daß der zugeordnete
zweite Kompensationskondensator 192a,..., 192z statt
dem zweiten Referenz-Kondensator 28 dem ersten Meß-Kondensator 22 zugeschaltet
wird.As in 1 is recognizable, for example in the switch positions shown, the first switch 186a , ..., 186z and the switch 32 . 34 the total capacitance of the first compensation capacitors connected in parallel 182a , ..., 182z (attenuated by the first attenuation capacitor connected in series 184 ) in parallel with the first reference capacitor 24 connected. Similarly, the second switch is in the switch positions shown 192a , ..., 192z and the switch 32 . 34 the total capacitance of the second capacitors connected in parallel 192a , ..., 192z (attenuated by the second attenuation capacitor connected in series 194 ) in parallel to the second reference capacitor 28 connected. It can also be seen that by switching one of the first switches 186a , ..., 186z or from one of the second switches 196a , ..., 196z From the switch position shown to the switch position not shown, it is achieved that the assigned first compensation capacitor 182a , ..., 182z instead of the first reference capacitor 24 the second measuring capacitor 26 is switched on or that the assigned second compensation capacitor 192a , ..., 192z instead of the second reference capacitor 28 the first measuring capacitor 22 is switched on.
Es
ist ferner erkennbar, daß beim
Umschalten der Umschalter 32, 34, d. h. beim Wechseln
der Polarität der
Eingangsspannung Vei n der
Brückenschaltung 10,
simultan alle ersten Umschalter 186a,..., 186z und
alle zweiten Umschalter 196a, ..., 196z ihre Schalterstellung
wechseln bzw. umgeschaltet werden müssen, um zu bewirken, daß jeder
einzelne Kompensationskondensator 182a,..., 182z, 192a,..., 192z weiterhin
dem gleichen Brückenkondensator 22, 24, 26, 28 zugeordnet
bzw. zugeschaltet bleibt. Es ist ferner erkennbar, daß dieses Erfordernis
entfällt,
wenn die in 1 dargestellte
Schaltung geringfügig
modifiziert wird, so daß die
Stromschienen 198, 198' nicht, wie gezeigt, direkt mit
der Spannungsquelle 136, sondern direkt mit dem zweiten Knoten 14 bzw.
dem vierten Knoten 18 der Brückenschaltung 10 verbunden
sind.It can also be seen that when switching the switch 32 . 34 , ie when changing the polarity of the input voltage V ei n of the bridge circuit 10 , all first switches simultaneously 186a , ..., 186z and every second switch 196a , ..., 196z change their switch position or must be switched to cause each individual compensation capacitor 182a , ..., 182z . 192a , ..., 192z still the same bridge capacitor 22 . 24 . 26 . 28 remains assigned or switched on. It can also be seen that this requirement does not apply if the in 1 circuit shown is slightly modified so that the busbars 198 . 198 ' not, as shown, directly with the voltage source 136 but directly with the second knot 14 or the fourth node 18 the bridge circuit 10 are connected.
Die
Logikschaltung 150 und insbesondere die Schaltsteuereinrichtung 160 ist
so ausgebildet, daß sie das
Verhältnis
der Polaritäten
der Ausgangsspannung Vaus und der Eingangsspannung
Vei n der Brückenschaltung 10 aus
der momentanen Schalterstellung der Umschalter 32, 34 und
dem vom Komparator 140 empfangenen Signal ermittelt. Wie
oben erwähnt
zeigt das Verhältnis
der Polaritäten
an, in welche Richtung die Brückenschaltung 10 verstimmt
ist. Ansprechend darauf verändert
die Schaltsteuereinrichtung 160 die Schalterstellungen
von einzelnen der ersten Umschalter 186a,..., 186z und
der zweiten Umschalter 196a,..., 196z, um die
Brückenschaltung 10 abzugleichen.
Vorzugsweise werden dabei jeweils ein Paar aus einem der ersten Umschalter 186a,..., 186z und
einem der zweiten Umschalter 196a,..., 196z, die
mit einem ersten Kompensationskondensator 182a,..., 182z bzw.
einem zweiten Kompensationskondensator 192a,..., 192z gleicher
Kapazität
verbunden sind, synchron umgeschaltet.The logic circuit 150 and in particular the switching control device 160 is designed so that it the ratio of the polarities of the output voltage V out and the input voltage V ei n of the bridge circuit 10 the switch from the current switch position 32 . 34 and that of the comparator 140 received signal determined. As mentioned above, the ratio of the polarities indicates in which direction the bridge circuit 10 is out of tune. In response to this, the shift control device changes 160 the switch positions of individual of the first switch 186a , ..., 186z and the second switch 196a , ..., 196z to the bridge circuit 10 match. Preferably, a pair of one of the first changeover switches are used 186a , ..., 186z and one of the second switches 196a , ..., 196z that with a first compensation capacitor 182a , ..., 182z or a second compensation capacitor 192a , ..., 192z same capacity are connected, switched synchronously.
Die
Logikschaltung 150 geht dabei vorzugsweise nach dem oben
erwähnten
Wägeverfahren
bzw. Sukzessive-Approximation-Verfahren
vor. Dabei verhalten sich die Kapazitäten der ersten Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z vorzugswei se
wie ganzzahlige Potenzen von 2 zueinander, d. h. wie 1:2:4:8:16.... Entsprechend
verhalten sich die Kapazitäten
der zweiten Kompensationskondensatoren 192a,..., 192z vorzugsweise
zueinander ebenfalls wie ganzzahlige Potenzen von 2.The logic circuit 150 preferably uses the above-mentioned weighing method or successive approximation method. The capacitances of the first compensation capacitors behave 182a , ..., 182z preferably like integer powers of 2 to each other, ie like 1: 2: 4: 8: 16 .... The capacitances of the second compensation capacitors behave accordingly 192a , ..., 192z preferably to each other as well as integer powers of 2.
Bei
der Schaltsteuereinrichtung 160 handelt es sich somit um
eine Einrichtung zum Zuschalten oder Wegschalten von einer der Mehrzahl
von Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z, 192a,..., 192z zu
bzw. von einer der Brückenkondensatoren 22, 24, 26, 28.
Beim Wägeverfahren
sind zunächst
alle erste Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z entweder
gemeinsam dem ersten Referenz-Kondensator 24 oder gemeinsam
dem zweiten Meß-Kondensator 26 zugeschaltet,
wobei vorzugsweise gleichzeitig alle zweite Kompensationskondensatoren 192a,..., 192z gemeinsam
dem diametral gegenüberliegenden
Brückenkondensator,
d. h. dem zweiten Referenz-Kondensator 28, bzw. gemeinsam
dem ersten Meß-Kondensator 22,
zugeschaltet sind.With the shift control device 160 it is therefore a device for connecting or disconnecting one of the plurality of compensation capacitors 182a , ..., 182z . 192a , ..., 192z to or from one of the bridge capacitors 22 . 24 . 26 . 28 , In the weighing process, all of the first compensation capacitors are used 182a , ..., 182z either together the first reference capacitor 24 or together the second measuring capacitor 26 switched on, preferably all the second compensation capacitors at the same time 192a , ..., 192z together the diametrically opposite bridge capacitor, ie the second reference capacitor 28 , or together the first measuring capacitor 22 , Trains are switched.
Nacheinander
verändert
die Schaltsteuereinrichtung 160 nun beginnend bei demjenigen
ersten Kompensationskondensator 182a,..., 182z und
demjenigen zweiten Kompensationskondensator 192a,..., 192z,
die die größte Kapazität aufweisen,
und der Reihe nach fortschreitend bis zu demjenigen ersten Kompensationskondensator 182a,..., 182z und
demjenigen zweiten Kompensationskondensator 192a,..., 192z,
die die kleinsten Kapazitäten
aufweisen, alle Schalter (paarweise, wie oben beschrieben) probeweise
um jeweils, wie oben beschrieben, festzustellen, in welche Richtung
die Brückenschaltung 10 danach
verstimmt ist.The switching control device changes in succession 160 now starting with the first compensation capacitor 182a , ..., 182z and that second compensation capacitor 192a , ..., 192z , which have the largest capacitance, and in order progressively up to that first compensation capacitor 182a , ..., 182z and that second compensation capacitor 192a , ..., 192z , which have the smallest capacitances, test all switches (in pairs, as described above) on a trial basis to determine, in each case, as described above, in which direction the bridge circuit 10 after that is out of tune.
Abhängig von
der resultierenden Richtung der Verstimmung der Brückenschaltung 10 wird
die probeweise gesetzte Schalterstellung beibehalten oder das probeweise
gesetzte Paar von Umschaltern wird wieder zurückgesetzt. Gleichzeitig steht
nach der Bestimmung der Richtung bzw. Polarität der Verstimmung der Brückenschaltung 10 jeweils
ein Bit bzw. eine Stelle einer binären Darstellung der digitalen
Ausgangsgröße der Analog-Digital-Wandlung
fest. Die Ordnung der Stelle, deren Wert durch das probeweise Umschalten
der Umschalter und das anschließende
Bestimmen der Polarität
der Brückenschaltung 10 bestimmt
wird, entspricht dabei der Ordnung der Kompensationskondensatoren,
die probeweise umgeschaltet wurden.Depending on the resulting direction of detuning the bridge circuit 10 the test-set switch position is maintained or the test-set pair of switches is reset again. At the same time, the determination of the direction or polarity of the detuning of the bridge circuit 10 one bit or one place of a binary representation of the digital output variable of the analog-digital conversion. The order of the point, its value by trial switching the switch and then determining the polarity of the bridge circuit 10 is determined, corresponds to the order of the compensation capacitors that have been switched over on a trial basis.
Bei
dem in 1 dargestellten
Beispiel gibt es je sechs erste Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z und
sechs zweite Kompensationskondensatoren 192a,..., 192z.
Der dargestellte Analog-Digital-Wandler erzeugt somit insgesamt
ein 6 Bit bzw. binäre
Stellen breites Datenwort. Dieses Datenwort stellt den momentanen
Wert der Meßgröße dar,
die durch den Sensor erfaßt
wird, der durch die beiden Meß-Kondensatoren 22, 26 gebildet
ist. Die Logikschaltung 150 enthält einen Speicher zum Speichern
einer Approximationszahl mit 6 Bit, wobei der Inhalt dieses Speichers
die Stellung der ersten Umschalter 186a,..., 186z und
der zweiten Umschalter 196a, ..., 196z wiedergibt.
Wenn ein erster Umschalter 186a,..., 186z und
der entsprechende zweite Umschalter 196a,..., 196z umgeschaltet
wird, wird gleichzeitig der Wert des entsprechenden Bits der in
der Logikschaltung 150 gespeicherten Approximationszahl
geändert.At the in 1 shown example, there are six first compensation capacitors 182a , ..., 182z and six second compensation capacitors 192a , ..., 192z , The analog-digital converter shown thus generates a total of a 6-bit or binary digit data word. This data word represents the current value of the measured variable, which is detected by the sensor and by the two measuring capacitors 22 . 26 is formed. The logic circuit 150 contains a memory for storing an approximation number with 6 bits, the content of this memory being the position of the first switch 186a , ..., 186z and the second switch 196a , ..., 196z reproduces. If a first switch 186a , ..., 186z and the corresponding second switch 196a , ..., 196z is switched, the value of the corresponding bit in the logic circuit 150 stored approximation number changed.
Wenn
der Reihe nach alle ersten Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z und
zweite Kompensationskondensatoren 192a, ..., 192z probeweise
gesetzt waren und jeweils die Polarität der Verstimmung der Brückenschaltung 10 durch
den Komparator 140 bestimmt wurde und gegebenenfalls erste
Umschalter 186a, ..., 186z und zweite Umschalter 196a,..., 196z wieder
zurückgeschaltet
wurden, stehen alle Bits der in der Logikschaltung 150 gespeicherten
Approximationszahl fest. Spätestens
in diesem Moment, vorzugsweise genau in diesem Moment, gibt die
Bestimmungseinrichtung 170 an ihrem Ausgang 172 ein
digitales Ausgangssignal aus, das die letzte Approximationszahl
darstellt. Die letzte Approximationszahl entspricht bis auf einen
konstanten Proportionalitätsfaktor
und einen unver meidlichen Quantisierungsfehler der Meßgröße bzw.
der analogen Eingangsgröße.If in turn all the first compensation capacitors 182a , ..., 182z and second compensation capacitors 192a , ..., 192z were set as a test and the polarity of the detuning of the bridge circuit 10 through the comparator 140 was determined and, if necessary, the first switch 186a , ..., 186z and second switch 196a , ..., 196z switched back again, all bits are in the logic circuit 150 stored approximation number. At this moment at the latest, preferably exactly at this moment, the determination device gives 170 at their exit 172 a digital output signal that represents the last approximation number. The last approximation number corresponds to a constant proportionality factor and an inevitable quantization error of the measured variable or the analog input variable.
Wenn
der beschriebene Analog-Digital-Wandler, wie eingangs beschrieben,
von einem aktiven Betriebsmodus in einen Bereitschafts-Betriebsmodus
wechselt, bleibt die Approximationszahl vorzugsweise in der Logikschaltung 150 gespeichert,
so daß nach
einem erneuten Wechsel von dem Bereitschafts-Betriebsmodus in den
aktiven Betriebsmodus ein neues digitales Ausgangssignal, das einen
neuen momentanen Wert der analogen Eingangsgröße darstellt, in einem leicht
modifizierten Approximationsverfahren ausgehend von dem gespeicherten
alten Wert bestimmt werden kann. Im Falle langsam veränderlicher
analoger Eingangsgrößen, beispielsweise
des eingangs erwähnten
Reifendrucks, bewirkt dies eine Verkürzung der Wandlungszeit, die
den mittleren Leistungsbedarf des Analog-Digital-Wandlers verringert.
Dadurch wird im Fall einer Leistungsversorgung durch eine Batterie
die Lebensdauer derselben verlängert.When the described analog-to-digital converter, as described at the beginning, changes from an active operating mode to a standby operating mode, the approximation number preferably remains in the logic circuit 150 stored so that after a renewed change from the standby operating mode to the active operating mode a new digital output signal, which represents a new instantaneous value of the analog input variable, can be determined in a slightly modified approximation method on the basis of the stored old value. In the case of slowly changing analog input variables, for example the tire pressure mentioned at the outset, this leads to a reduction in the conversion time, which reduces the average power requirement of the analog-digital converter. This extends the life of a battery in the event of a power supply.
Alternativ
zu dem beschriebenen Wägeverfahren
führt die
Logikschaltung 150 ein anderes Approximationsverfahren,
beispielsweise ein Zählverfahren,
durch. In diesem Fall sind die Kapazitäten aller ersten Kompensationskondensatoren 182a,
..., 182z und aller zweiten Kompensationskondensatoren 192a,
..., 192z jeweils untereinander gleich. Der Reihe nach
werden so lange erste Umschalter 186a,..., 186z jeweils
nur einmal umgeschaltet, bis sich die Polarität der Verstimmung der Brückenschaltung 10 ändert. Auch
in diesem Fall gilt zumindest für
dasjenige Umschalten eines ersten Umschalters 186a, ..., 186z und
eines zweiten Umschalters 196a,..., 196z, bei
dem die Polarität
der Verstimmung der Brückenschaltung 10 sich ändert, daß ein Bit der
digitalen Ausgangsgröße, nämlich das
niedrigstwertige Bit (zusammen mit allen anderen Bits), bestimmt wird.As an alternative to the weighing method described, the logic circuit leads 150 another approximation method, for example a counting method. In this case, the capacitances of all the first compensation capacitors 182a , ..., 182z and all second compensation capacitors 192a , ..., 192z each the same among themselves. In this way, the first changeover switches become sequential 186a , ..., 186z only switched once each time until the polarity of the detuning of the bridge circuit 10 changes. In this case, too, at least the switching of a first switch applies 186a , ..., 186z and a second switch 196a , ..., 196z , where the polarity of the detuning of the bridge circuit 10 changes that a bit of the digital output, namely the least significant bit (together with all other bits) is determined.
Die
Abschwächungskondensatoren 184, 194 sind
dafür vorgesehen,
die Wirkung der Kompensationskondensatoren abzuschwächen (die
Kapazität
C zweier in Serie geschalteter Kondensatoren mit den Kapazitäten C1 und
C2 beträgt
C = C1 C2/C1 + C2). Da die durch die Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z, 192a,..., 192z zu
kompensierende, von der analogen Eingangsgröße bzw. der Meßgröße abhängige Veränderung
der Kapazitäten
Cmeβ1,
Cmeβ2,
wie eingangs erwähnt,
sehr klein sind, müßten ohne
die Abschwächungskondensatoren 184, 194 auch
die Kapazitäten
der Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z, 192a,
..., 192z entsprechend klein sein. Genauer gesagt müßte sie
zur Erzielung einer entsprechenden Auflösung noch wesentlich kleiner
(im Fall des Wägeverfahrens
um eine der Auflösung
in Bit entsprechende Potenz von 2 kleiner) sein. Kondensatoren mit
derart kleinen Kapazitäten
sind jedoch schwer mit der erforderlichen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
herstellbar, unter anderem ist aus Matching-Gründen eine Mindestfläche der
Kondensatoren notwendig. Bei Verwendung der Abschwächungskondensatoren 184, 194 können die
Kapazitäten
der Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z, 192a,..., 192z entsprechend
größer gewählt werden,
da ihre Wirkung durch die Serienschaltung mit den Abschwächungskondensatoren 184, 194 abgeschwächt wird.The attenuation capacitors 184 . 194 are intended to weaken the effect of the compensation capacitors (the capacitance C of two capacitors C1 and C2 connected in series is C = C1 C2 / C1 + C2). Because of the compensation capacitors 182a , ..., 182z . 192a , ..., 192z Changes in the capacitances C meβ1 , C meβ2 which are dependent on the analog input variable or the measured variable, as mentioned at the beginning, would have to be very small without the attenuation capacitors 184 . 194 also the capacitance of the compensation capacitors 182a , ..., 182z . 192a , ..., 192z be correspondingly small. More precisely, it would have to be significantly smaller in order to achieve a corresponding resolution (in the case of the weighing method by a power of 2 corresponding to the resolution in bits). However, capacitors with such small capacities are difficult to manufacture with the required accuracy and reproducibility, among other things a minimum area of the capacitors is necessary for matching reasons. When using the attenuation capacitors 184 . 194 can the capacitance of the compensation capacitors 182a , ..., 182z . 192a , ..., 192z be chosen accordingly larger, since their effect through the series connection with the attenuation capacitors 184 . 194 is weakened.
Die
dargestellte Anordnung der beiden Meß-Kondensatoren 22, 26 in
einander diametral gegenüberliegenden
Zweigen der Brückenschaltung 10 ist
vorzugsweise zu wählen,
wenn sich beide Kapazitäten
der Meß-Kondensatoren 22, 26 abhängig von
der analogen Eingangsgröße gleichsinnig ändern. Bei
einer gegensätzlichen
Beeinflussung der Kapazitäten
der Meß-Kondensatoren 22, 26 durch
die analoge Eingangsgröße ist eine
Anordnung der beiden Meß-Kondensatoren 22, 26 in
zueinander benachbarten Zweigen, d. h. angrenzend an einen gemeinsamen
Knoten 12, 14, 16, 18, zu wählen.The arrangement of the two measuring capacitors shown 22 . 26 in diametrically opposite branches of the bridge circuit 10 should preferably be chosen if both capacitors of the measuring capacitors are 22 . 26 change in the same direction depending on the analog input variable. If the capacitors of the measuring capacitors are influenced in opposite ways 22 . 26 due to the analog input variable there is an arrangement of the two measuring capacitors 22 . 26 in adjacent branches, ie adjacent to a common node 12 . 14 . 16 . 18 , to choose.
Vorzugsweise
sind die ersten Kompensationskondensatoren 182a, ..., 182z und
die zweiten Kompensationskondensatoren 192a, ..., 192z jeweils
paarweise gleich groß,
wenn der Einfluß der
analogen Eingangsgröße auf die
Kapazitäten
der Meß- Kondensatoren 22, 26 gleich
groß ist
bzw. eine Änderung
der analogen Eingangsgröße (betragsmäßig) gleiche Änderungen
der Kapazitäten
der Meß-Kondensatoren 22, 26 hervorruft.
Wenn eine Änderung
der analogen Eingangsgröße die Meß-Kondensatoren 22, 26 unterschiedlich
stark beeinflußt,
weisen die Kapazitäten
einander paarweise entsprechender erster Kompensationskondensatoren 182a,..., 182z und
zweiter Kompensationskondensatoren 192a,..., 192z vorzugsweise
das gleiche Zahlenverhältnis
zueinander auf, wie die Änderungen
der Kapazitäten
der Meß-Kondensatoren 22, 26,
die durch die Änderung
der analogen Eingangsgröße hervorgerufen
werden.The first compensation capacitors are preferred 182a , ..., 182z and the second compensation capacitors 192a , ..., 192z each in pairs the same size if the influence of the analog input variable on the capacitance of the measuring capacitors 22 . 26 is the same size or a change in the analog input variable (in terms of amount) same changes in the capacitances of the measuring capacitors 22 . 26 causes. If there is a change in the analog input variable the measuring capacitors 22 . 26 influenced to different degrees, the capacitances have mutually corresponding first compensation capacitors 182a , ..., 182z and second compensation capacitors 192a , ..., 192z preferably the same numerical ratio to each other as the changes in the capacitance of the measuring capacitors 22 . 26 , which are caused by the change in the analog input variable.
Ein
Spezialfall dieser Asymmetrie der Meß-Kondensatoren 22, 26 ist
der Fall, daß der
Sensor bzw. die Brückenschaltung 10 nur
einen Meß-Kondensator
umfaßt,
dessen Kapazität
von der analogen Eingangsgröße abhängt. In
diesem Fall weist die Brückenschaltung 10 abweichend
von der Darstellung in 1 einen Meß-Kondensator
und drei Referenz-Kondensatoren mit konstanter Kapazität auf. Entsprechend
entfallen in diesem Fall beispielsweise alle zweiten Kompensationskondensatoren 192a,..., 192z.A special case of this asymmetry of the measuring capacitors 22 . 26 is the case that the sensor or the bridge circuit 10 comprises only one measuring capacitor, the capacitance of which depends on the analog input variable. In this case, the bridge circuit points 10 deviating from the representation in 1 a measuring capacitor and three reference capacitors with constant capacitance. Accordingly, in this case, for example, all of the second compensation capacitors are omitted 192a , ..., 192z ,
Alternativ
zu den ersten und zweiten Umschaltern 186a,..., 186z, 196a,..., 196z des
anhand der 1 beschriebenen
Ausführungsbeispiels
werden einfache Schalter verwendet, so daß in einer Stellung jedes Schalters
der entsprechende Kompensationskondensator einem der Brückenkondensatoren
zugeschaltet ist, während
in der anderen Schaltstellung der entsprechende Kompensationskondensator
einseitig isoliert ist. Diese Variante ist insbesondere mit der
zuletzt beschriebenen Variante mit nur einem Meß-Kondensator kombinierbar.As an alternative to the first and second switches 186a , ..., 186z . 196a , ..., 196z the based on the 1 The described embodiment uses simple switches, so that in one position of each switch the corresponding compensation capacitor is connected to one of the bridge capacitors, while in the other switching position the corresponding compensation capacitor is isolated on one side. This variant can be combined in particular with the variant described last with only one measuring capacitor.
Anstelle
der in 1 dargestellten
Brücken-
und Kompensationskondensatoren sind auch ohmsche Widerstände (im
Fall eines resistiven Sensors) oder induktive Bauelemente (im Falle
eines induktiven Sensors) verwendbar. Die dargestellten Kondensatoren
stehen also nur stellvertretend für Brücken-Impedanzbauelemente und Kompensations-Impedanzbauelemente.Instead of the in 1 Bridge and compensation capacitors shown can also be used ohmic resistors (in the case of a resistive sensor) or inductive components (in the case of an inductive sensor). The capacitors shown are therefore only representative of bridge impedance components and compensation impedance components.
Oben
wurde eine steuerbare Parallelschaltung von Kompensations-Impedanzbauelementen
zu Brücken-Impedanzbauelementen
beschrieben. Alternativ ist auch eine steuerbare Serienschaltung
der Kompensations-Impedanzbauelemente zu den Brücken-Impedanzbauelementen möglich und
insbesondere beispielsweise im Fall von induktiven Impedanzbauelementen
vorteilhaft.Above
became a controllable parallel connection of compensation impedance components
to bridge impedance components
described. Alternatively, a controllable series connection is also possible
the compensation impedance components to the bridge impedance components possible and
especially for example in the case of inductive impedance components
advantageous.
Abweichend
von der Darstellung in 1 ist
die vorliegende Erfindung mit einer beliebigen Anzahl von Kompensations-Impedanzbauelementen
realisierbar.Deviating from the representation in 1 the present invention can be implemented with any number of compensation impedance components.
Dabei
sind gegebenenfalls Eingangsströme
bzw. Ausgangsströme
oder auch Eingangsladungen und Ausgangsladungen anstelle der beschriebenen
Eingangsspannung und Ausgangsspannung als Eingangssignal bzw. Ausgangssignal
vorteilhaft.there
are possibly input currents
or output currents
or also input charges and output charges instead of the ones described
Input voltage and output voltage as input signal and output signal
advantageous.
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist anhand der oben angegebenen
Gleichung für
den Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung Vein und
der Ausgangsspannung Vaus erkennbar. Der
Zusammenhang zwischen den Kapazitäten Cmeβ1,
Cmeβ2 der
Meß-Kondensatoren 22, 26 und
der Ausgangsspannung Vaus ist nur für kleine
Verstimmungen der Brückenschaltung
linear. Ein starker Einfluß der
analogen Eingangsgröße bzw.
der Meßgröße auf die
Kapazitäten
Cmeβ1,
Cmeβ2 der
Meß-Kondensatoren
hat somit eine intrinsische Nichtlinearität der eingangs anhand der 5 beschriebenen herkömmlichen
Meßanordnung
zur Folge. Demgegenüber
hat die Nichtlinearität
des Zusammenhangs zwischen den Kapazitäten Cmeβ1,
Cmeβ2 der
Meß-Kondensatoren
und der Ausgangsspannung Vaus keinerlei
Einfluß auf
die Charakteristik des Analog-Digital-Wandlers gemäß der vorliegenden
Erfindung.An advantage of the present invention can be seen from the above equation for the relationship between the input voltage V and the output voltage V out. The together hang between the capacitances C meβ1 , C meβ2 of the measuring capacitors 22 . 26 and the output voltage V out is linear only for small detuning of the bridge circuit. A strong influence of the analog input variable or the measured variable on the capacitances C meβ1 , C meβ2 of the measuring capacitors thus has an intrinsic non-linearity based on the 5 described conventional measuring arrangement result. In contrast, has the non-linearity of the relationship between the capacitances C meβ1, C meβ2 of the measuring capacitors and the output voltage V of no influence on the characteristic of the analog-to-digital converter according to the present invention.
2 ist eine schematische
Darstellung der Zeitabhängigkeit
des Ausgangssignals Vaus der Brückenschaltung 10 sowie
des Vorzeichens sgn(Vaus) der Ausgangsspannung
Vaus und des Ver hältnisses (bzw. gleichbedeutend:
des Produkts) der Vorzeichen der Ausgangsspannung Vaus mit
der Eingangsspannung Vein. Der Ordinate
ist die Zeit t zugeordnet, den Abszissen ist die Ausgangsspannung
Vaus, das Vorzeichen sgn (Vaus)
der Ausgangsspannung Vaus sowie das Produkt
sgn (Vaus) sgn (Vein)
der Vorzeichen der Ausgangsspannung Vaus und
der Eingangsspannung Vei n zugeordnet. 2 is a schematic representation of the time dependence of the output signal V from the bridge circuit 10 and the sign sgn (V out) of the output voltage V out and the holding Ver isses (or equivalent: the product) the sign of the output voltage V of the input voltage V a. The ordinate is the time t associated with the abscissa, the output voltage V out, the sign sgn (V out) of the output voltage V out and the product sgn (V out) sgn (V a) of the sign of the output voltage V out and the input voltage V n ei assigned.
Zu
den Zeitpunkten t1, t2 und
t3 werden jeweils Umschalter umgeschaltet,
wobei sich das Verhältnis von
Schalterstellungen der ersten und zweiten Umschalter zur Schalterstellung
der Umschalter 32, 34 ändert. Dazwischen liegen in
diesem Beispiel jeweils zwei Perioden der periodisch in Rechteckform
alternierenden Eingangsspannung Vein = ±Vref. Als Beispiel sei angenommen, daß der „wahre" bzw. „richtige" Wert des digitalen
Ausgangssignals 7 ist, wobei von einer 4-Bit-Wandlung ausgegangen
wird.At times t 1 , t 2 and t 3 , changeover switches are switched, the ratio of switch positions of the first and second changeover switches to the switch position of the changeover switches 32 . 34 changes. Intervene in this example, two periods of the periodically alternating in a rectangular shape input voltage V = ± V ref. As an example, assume that the "true" or "correct" value of the digital output signal 7 is, assuming a 4-bit conversion.
Bis
zum Zeitpunkt t1 sind die jeweils größten Kompensationskondensatoren,
die dem Wert 8 entsprechen, zugeschaltet. Es resultiert eine mit
der Eingangsspannung Vein periodisch alternierende
Ausgangsspannung Vaus einer relativ kleinen
Amplitude, die der kleinen Differenz zwischen der Approximationszahl 8 und
dem „wahren" Wert 7 entspricht.
Das Vorzeichen der Ausgangsspannung Vaus alterniert
mit derselben Periode. Das Verhältnis
der Vorzeichen der Ausgangsspannung Vaus und
der Eingangsspannung Vein ist konstant +1.
Dem entnimmt die Logikschaltung 150, daß die Kapazität des zugeschalteten
Kompensationskondensators und entsprechend die momentane Approximationszahl
zu groß ist.The largest compensation capacitors, which correspond to the value 8, are switched on by the time t 1 . The result is a connected to the input voltage V a periodically alternating output voltage V from a relatively small amplitude, the small difference between the Approximationszahl 8th and the "true" value of 7 corresponds. The sign of the output voltage V alternates with the same period. The ratio of the sign of the output voltage V out and the input voltage V is a constant +1. The extracts the logic circuit 150 that the capacitance of the connected compensation capacitor and, accordingly, the instantaneous approximation number is too large.
Zum
Zeitpunkt t1 schaltet die Logikschaltung 150 deshalb
die jeweils größten Kompensationskondensatoren
weg und die nächstkleineren
Kompensationskondensatoren, die dem Wert 4 entsprichen, zu. Die
entsprechende Approximationszahl 4 ist zu klein, weshalb
sich die Phase der Oszillation des Vorzeichens der Ausgangsspannung
Vaus umkehrt und das Verhältnis der Vorzeichen
der Ausgangsspannung Vaus und der Eingangsspannung
Vein ab jetzt –1 beträgt. Daraus schließt die Logikschaltung 150,
daß die
gesamte zugeschaltete Kapazität
und die entsprechende Approximationszahl zu klein sind. Zwischen
dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 ist die Differenz zwischen der Approximationszahl
und der „wahren" Zahl größer als
vor dem Zeitpunkt t1. Die Größe dieser
Differenz ist in 2 erkennbar,
wird allerdings von dem Komparator 140 nicht ausgewertet.The logic circuit switches at time t 1 150 therefore the largest compensation capacitors and the next smaller compensation capacitors, which correspond to the value 4, are closed. The corresponding approximation number 4 is too small, which is why the phase of the oscillation is the sign of the output voltage V out is reversed and the ratio of the sign of the output voltage V out and the input voltage V a from now -1. The logic circuit concludes from this 150 that the total connected capacity and the corresponding approximation number are too small. Between time t 1 and time t 2 , the difference between the approximation number and the “true” number is greater than before time t 1. The size of this difference is in 2 recognizable, but is from the comparator 140 not evaluated.
Zum
Zeitpunkt t2 schaltet die Logikschaltung 150 zusätzlich den
nächsten
Kompensationskondensator, der dem Wert 2 entspricht, zu. Die Approximationszahl
beträgt
damit 6 und ist immer noch kleiner als die „wahre" Zahl. Die Phasenlage des Vorzeichens
Vaus ist deshalb gegenüber der Zeitspanne zwischen
t1 und t2 unverändert, und
das Verhältnis
der Vorzeichen der Ausgangsspannung Vaus und
der Eingangsspannung Vei n bleibt –1.The logic circuit switches at time t 2 150 additionally the next compensation capacitor, which corresponds to the value 2. The approximation number is therefore 6 and is still smaller than the “true” number. The phase position of the sign V out is therefore unchanged with respect to the time period between t 1 and t 2 , and the ratio of the signs of the output voltage V out and the input voltage V ei n remains -1.
Für einen
weiteren, nicht dargestellten Approximationsschritt wird zum Zeitpunkt
t3 das niedrigstwertige Bit (LSB; LSB =
least significant bit) bestimmt, wonach die Analog-Digital-Wandlung abgeschlossen
ist.For a further approximation step, not shown, the least significant bit (LSB; LSB = least significant bit) is determined at time t 3 , after which the analog-to-digital conversion is completed.
Die
Logikschaltung 150 ist vorzugsweise ausgebildet, um anhand
des Verhältnisses
der Vorzeichen der Ausgangsspannung vaus und
der Eingangsspannung Vein zu erkennen, ob
die momentane Approximationszahl bzw. die momentane Gesamtkapazität der zugeschalteten
Kompensationskondensatoren zu groß oder zu klein ist. Alternativ
erkennt die Logikschaltung einen Übergang von einer Überschätzung zu
einer Unterschätzung
oder umgekehrt bzw. einen Wechsel der Polarität der Verstimmung der Brückenschaltung 10 an
der Zeitabhängigkeit
des Vorzeichens der Ausgangsspannung Vaus.
In 2 ist erkennbar,
daß zum
Zeitpunkt t1, vor dem die Approximationszahl
den wahren Wert überschätzt und
nachdem die Approximationszahl den wahren Wert unterschätzt, eine
charakteristische Zeitabhängigkeit
des Vorzeichens der Ausgangsspannung Vaus vorliegt durch
eine doppelt so lange Zeitdauer mit unverändertem Vorzeichen der Ausgangsspannung
Vaus charakterisiert ist.The logic circuit 150 is preferably formed in order on the basis of the ratio of the sign of the output voltage v and the input voltage V to recognize a whether the current Approximationszahl or the instantaneous total capacity of the connected compensating capacitors too large or too small. Alternatively, the logic circuit detects a transition from an overestimation to an underestimation or vice versa or a change in the polarity of the detuning of the bridge circuit 10 at the time dependence of the sign of the output voltage V out. In 2 It can be seen that at time t 1 , before which the approximation number overestimates the true value and after the approximation number underestimates the true value, there is a characteristic time dependence of the sign of the output voltage V out characterized by a twice as long period of time with the sign of the output voltage V out unchanged is.
Weitere
mögliche
und vorteilhafte Varianten der vorliegenden Erfindung umfassen zusätzliche
Kondensatoren im Kapazitätsnetzwerk
bzw. allgemeiner zusätzliche
Impedanzbauelemente, durch die Offset und Gain bzw. Verstärkung eingestellt
werden können.
Dadurch können
beispielsweise Fertigungsstreuungen der Brückenschaltung kompensiert bzw.
wegkalibriert werden. In diesem Zusammenhang wird auf die EP 0738045 B1 verwiesen,
die hierin durch Bezugnahme aufgenommen sei.Further possible and advantageous variants of the present invention include additional con capacitors in the capacitance network or more generally additional impedance components by means of which offset and gain or amplification can be set. In this way, for example, manufacturing variations in the bridge circuit can be compensated for or calibrated away. In this context, the EP 0738045 B1 referenced, which is incorporated herein by reference.
In
den obigen Ausführungsbeispielen
wurde die vorliegende Erfindung als Schaltung bzw. als Verfahren
beschrieben. Darüber
hinaus ist die vorliegende Erfindung auch als Computer-Programm
implementierbar. Ein erfindungsgemäßes Computer-Programm umfaßt Programmcode
zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens.In
the above embodiments
The present invention was implemented as a circuit or as a method
described. About that
In addition, the present invention is also a computer program
implementable. A computer program according to the invention comprises program code
to perform
of the method according to the invention.
3 ist ein schematisches
Schaltungsdiagramm, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Komparators 140 darstellt.
Der Komparator merkt sich beim Samplen bzw. Abtasten die Spannung
Vaus zwischen seinen Eingängen 142, 144.
Das in 3 dargestellte
bevorzugte Ausführungsbeispiel
des Komparators besteht aus mehreren hintereinandergeschalteten
Differenzverstärkerstufen 202, 204, 206.
Die einzelnen Differenzverstärkerstufen
sind in 3 als untereinander
gleich dargestellt, wovon im folgenden auch in der Beschreibung
ausgegangen wird. Alternativ unterscheiden sich die Differenzverstärkerstufen 202, 204, 206 in ihrem
inneren Aufbau und ihren elektrischen Eigenschaften, beispielsweise
der Verstärkung
oder dem Aussteuerbereich. 3 Figure 3 is a schematic circuit diagram illustrating a preferred embodiment of the comparator 140 represents. The comparator remembers the voltage V out between its inputs when sampling or sampling 142 . 144 , This in 3 The illustrated preferred embodiment of the comparator consists of several differential amplifier stages connected in series 202 . 204 . 206 , The individual differential amplifier stages are in 3 shown as being the same as each other, which is also assumed in the description below. Alternatively, the differential amplifier stages differ 202 . 204 . 206 in their internal structure and their electrical properties, for example the amplification or the modulation range.
Jede
Differenzverstärkerstufe 202, 204, 206 weist
in ihren beiden Rückkoppelzweigen
jeweils einen Rückkoppelschalter 212, 214 auf.
Die Eingänge 222, 224 der
zweiten und dritten Differenzverstärkerstufen 204, 206 sind
durch Kondensatoren 232, 234 mit den Ausgängen 242, 244 der
jeweils vorangehenden Differenzverstärkerstufe 202, 204 verbunden.
Die Eingänge 222, 224 der
ersten Differenzverstärkerstufe 202 sind über entsprechende
Kondensatoren 232, 234 mit den Eingängen 142, 144 des
Komparators 140 verbunden. Die Ausgänge 242, 244 der
letzten Differenzverstärkerstufe 206 sind
mit Eingängen 252, 254 einer
Latch bzw. Klinkenschaltung 250 verbunden. Der innere Aufbau
der Latch 250 ist in 3 beispielhaft
durch zwei ringförmig
verschaltete Inverter 256, 258 dargestellt. Die
Latch 250 stellt einen Speicher dar, deren Zustand durch ein
Signal an den Eingängen 252, 254 veränderbar
ist und ohne ein Signal an den Eingängen 252, 254 unverändert bleibt.
Die Latch 250 gibt an Ausgängen 262, 264 ein
Signal aus, das ihren momentanen Zustand darstellt.Each differential amplifier stage 202 . 204 . 206 has a feedback switch in each of its two feedback branches 212 . 214 on. The entrances 222 . 224 the second and third differential amplifier stages 204 . 206 are through capacitors 232 . 234 with the exits 242 . 244 the preceding differential amplifier stage 202 . 204 connected. The entrances 222 . 224 the first differential amplifier stage 202 are about appropriate capacitors 232 . 234 with the entrances 142 . 144 of the comparator 140 connected. The exits 242 . 244 the last differential amplifier stage 206 are with entrances 252 . 254 a latch or jack circuit 250 connected. The inner structure of the latch 250 is in 3 exemplified by two ring-shaped inverters 256 . 258 shown. The latch 250 represents a memory whose state is indicated by a signal at the inputs 252 . 254 is changeable and without a signal at the inputs 252 . 254 remains unchanged. The latch 250 there are exits 262 . 264 a signal that represents their current state.
In
einer Sample- bzw. Abtastphase sind die Rückkoppelschalter 212, 214 von
jeder der Differenzverstärkerstufen 202, 204, 206 geschlossen.
In den Kondensatoren 232, 234 werden die Offset-Spannungen
der einzelnen Stufen gespeichert und damit eliminiert. Am Ende der
Sample-Zeit bzw. Sample-Phase werden alle Rückkoppelschalter 212, 214 geöffnet. Jede
Differenzverstärkerstufe 202, 204, 206 weist
bei offenen Rückkoppelschaltern 212, 214 eine
Verstärkung
auf, die je nach Dimensionierung der Differenzverstärkerstufe 202, 204, 206 vorzugsweise
zwischen 2 und 20 liegt. Wenn sich nach dem Öffnen der Rückkoppelschalter 212, 214 das
an den Eingängen 142, 144 des
Komparators 140 anliegende Eingangssignal ändert, wird
diese Änderung am
Ausgang 242, 244 der letzten Differenzverstärkerstufe
sichtbar, wobei das Eingangssignal durch das Produkt der einzelnen
Verstärkungen
der einzelnen Differenzverstärkerstufen 202, 204, 206 verstärkt ist.
Das am Ausgang 242, 244 der letzten Differenzverstärkerstufe 206 ausgegebene
verstärkte
Signal ist bei einer entsprechenden Gesamtverstärkung der Kette aus den Differenzverstärkerstufen 202, 204, 206 ein
digitales Signal, dem entweder der Wert 0 oder der Wert 1 zugeordnet
werden kann, und das in die Latch 250 übernommen bzw. in ihr gespeichert
wird.The feedback switches are in a sample or sampling phase 212 . 214 from each of the differential amplifier stages 202 . 204 . 206 closed. In the capacitors 232 . 234 the offset voltages of the individual stages are saved and thus eliminated. At the end of the sample time or sample phase, all feedback switches become 212 . 214 open. Each differential amplifier stage 202 . 204 . 206 points with open feedback switches 212 . 214 a gain depending on the dimensioning of the differential amplifier stage 202 . 204 . 206 is preferably between 2 and 20. If after opening the feedback switch 212 . 214 that at the entrances 142 . 144 of the comparator 140 changes input signal, this change is at the output 242 . 244 of the last differential amplifier stage, the input signal being the product of the individual amplifications of the individual differential amplifier stages 202 . 204 . 206 is reinforced. The one at the exit 242 . 244 the last differential amplifier stage 206 The amplified signal output is given a corresponding overall amplification of the chain from the differential amplifier stages 202 . 204 . 206 a digital signal to which either the value 0 or the value 1 can be assigned, and that in the latch 250 is taken over or stored in it.
Ein
Vorteil des in 3 dargestellten
Komparators 140 gegenüber
einem Verstärker,
wie er beispielsweise in einem herkömmlichen Analog-Digital-Wandler
eingesetzt wird, besteht darin, daß nur eine lokale Rückkopplung
zur Offset-Kompensation
vorhanden ist. Die Schaltung kann deshalb mühelos innerhalb einer extrem
kurzen Zeit, beispielsweise innerhalb einer Mikrosekunde, von einem
inaktiven Betriebsmodus, beispielsweise von einem Bereitschaftsbetriebsmodus,
in einen aktiven Betriebsmodus gebracht werden. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß die
Linearität
der einzelnen Differenzverstärkerstufen 202, 204, 206 überhaupt keine
Rolle spielt, da nur der Nullpunkt detektiert werden muß.An advantage of the in 3 comparator shown 140 Compared to an amplifier, as is used, for example, in a conventional analog-digital converter, there is only a local feedback for offset compensation. The circuit can therefore be effortlessly brought from an inactive operating mode, for example from a standby operating mode, to an active operating mode within an extremely short time, for example within a microsecond. Another advantage is that the linearity of the individual differential amplifier stages 202 . 204 . 206 doesn't matter at all, since only the zero point has to be detected.
4A ist ein schematisches
Schaltungsdiagramm, das den inneren Aufbau von einer der Differenzverstärkerstufen 202, 204, 206 darstellt. 4A Fig. 4 is a schematic circuit diagram showing the internal structure of one of the differential amplifier stages 202 . 204 . 206 represents.
4B ist eine schematische
Darstellung der Zeitabhängigkeit
eines Ausgangssignals Vdiff der in 4A dargestellten
Differenzverstärkerstufe 202.
Der Ordinate ist die Zeit t zugeordnet, während der Abszisse die Ausgangsspannung
Vdiff der Differenzverstärkerstufe 202 zugeordnet
ist. In der Sample-Phase (sample) ist das Ausgangssignal Vdiff der
Differenzverstärkerstufe 202 Null.
In der Haltephase (hold) schwingt das Ausgangssignal Vdiff der Differenzverstärkerstufe 202 schnell
auf einen positiven Wert (Zweig 272) oder einen negativen
Wert (Zweig 274) ein, abhängig von der Polarität des am
Eingang 222, 224 vom Eingang 142, 144 des
Komparators 140 oder vom Ausgang 242, 244 der
jeweils vorangehenden Differenzverstärkerstufe 202, 204 empfangen
wird. 4B is a schematic representation of the time dependence of an output signal Vdiff in 4A differential amplifier stage shown 202 , The ordinate is assigned the time t, while the abscissa the output voltage Vdiff of the differential amplifier stage 202 assigned. In the sample phase (sample), the output signal Vdiff is the differential amplifier stage 202 Zero. In the hold phase (hold) it vibrates Output signal Vdiff of the differential amplifier stage 202 quickly to a positive value (branch 272 ) or a negative value (branch 274 ) depending on the polarity of the input 222 . 224 from the entrance 142 . 144 of the comparator 140 or from the exit 242 . 244 the preceding differential amplifier stage 202 . 204 Will be received.