DE69320853T2

DE69320853T2 - Schaltung zur Analog-/Digital-Umwandlung

Info

Publication number: DE69320853T2
Application number: DE69320853T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Hattori; Yoshinori Ohtsuka; Takamoto Watanabe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2013-03-16
Also published as: JP3064644B2; EP0561331A2; JPH05259907A; EP0561331B1; US5396247A; EP0561331A3; DE69320853D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Analog-Digital- Umwandlungsschaltung, die im allgemeinen als A/D- Umwandlungsschaltung abgekürzt wird.
Aus der EP-A-0 439 178 ist eine Impulsphasendifferenz- Codierschaltung bekannt, die ein den Phasenunterschied zwischen einem ersten Eingangsimpuls und einem zweiten Eingangsimpuls angebendes Digitalsignal bereitstellt. Der erste Eingangsimpuls wird einer Ringsignalverzögerungsschaltung mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Signalverzögerungselementen zugeführt und darin zirkuliert. Zwischenpunkte zwischen den Verzögerungselementen stellen verzögerte Impulse mit verschiedenen Verzögerungszeiten bereit. Beim Empfangen des zweiten Eingangsimpulses wählt ein Wähler einen Verzögerungsimpuls, der durch das Verzögerungselement bereitgestellt wird, an dem der erste Eingangsimpuls angekommen ist, und erzeugt ein digitales Positionssignal, das eine Position des gewählten Verzögerungselements angibt. Die Anzahl von Zirkulationsdurchläufen des ersten Eingangsimpulses in der Ringsignalverzögerungsschaltung wird getrennt gezählt. Entsprechend der Zahl von Zirkulationsdurchläufen des ersten Impulses und des Positionssignals wird das die Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Eingangsimpuls angebende Digitalsignal gebildet.
Die EP-A-0 265 666 bezieht sich auf einen integrierten spannungsgesteuerten Oszillator mit hoher Verstärkung, bestehend aus einer Vielzahl von kaskadierten Invertiererstufen in einer Ringkonfiguration. Bei jeder Invertiererstufe handelt es sich um eine Emitterschaltung mit einer aktiven Ziehstufe (Pull-Stage) zum Erzielen einer geringen Stufenverzögerung.
Die Frequenz des Ringoszillators wird durch die Anzahl an Invertiererstufen bestimmt, und die Verstärkung ist durch Koppeln einer externen Steuerspannung lediglich an bestimmte Invertierer wählbar. Der VCO kann auf einer einzelnen integrierten Schaltung gemeinsam mit zur Bildung einer Phasenregelschleife oder eines anderen Frequenzerzeugungssystems erforderlichen Schaltungen integriert sein.
Typische A/D-Umwandlungsschaltungen enthalten eine Anordnung von Spannungskomparatoren, die eine analoge Eingangsspannung mit verschiedenen Bezugsspannungen vergleichen, um die analoge Eingangsspannung in ein entsprechendes Digitalsignal umzuwandeln.
Falls eine umzuwandelnde analoge Eingangsspannung in einem geringen Bereich veränderbar ist, ist es bekannt, einen Verstärker in einer einer Komparatoranordnung vorangehenden Stufe vorzusehen, um die analoge Eingangsspannung vor deren Umwandlung zu verstärken.
Die meisten Verstärker sind für eine Verwendung bei hohen Temperaturen wie beispielsweise in einem Fahrzeug ungeeignet. Werden solche Verstärker bei hohen Temperaturen verwendet, so neigen sie zu einem fehlerhaften Betrieb. Es ist daher im allgemeinen schwierig, A/D-Umwandlungsschaltungen mit Verstärkern bei hohen Temperaturen einzusetzen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte A/D-Umwandlungsschaltung bereitzustellen.
Durch die Erfindung wird eine A/D-Umwandlungsschaltung zum Umwandeln eines analogen Spannungssignals in entsprechende digitale Daten bereitgestellt, mit einer Impulszirkulierschaltung, umfassend Invertierschaltungen jeweils zum Invertieren eines in diese eingegebenen Eingangssignals und zum Ausgeben eines Inversen des Eingangssignals, wobei sich eine für die Signalinvertierung durch jede der Invertiererschaltungen erforderliche Zeitdauer in Übereinstimmung mit einer an diese angelegten Versorgungsspannung ändert, wobei eine der Invertierschaltungen eine hinsichtlich der Invertierungsoperation steuerbare Anfangsinvertierschaltung bildet, und wobei die Impulszirkulierschaltung ein Impulssignal zirkulieren läßt, nachdem die Anfangsinvertierschaltung den Betrieb beginnt; einem Eingangsanschluß, an den das analoge Spannungssignal angelegt wird und der mit den Versorgungsleitungen der entsprechenden Invertierschaltungen verbunden ist, um das analoge Spannungssignal an die Invertierschaltungen als eine diesen zugeführte Versorgungsspannung anzulegen; einem Zähler zum Zählen einer Wiederholungszahl vollständiger Zirkulationen des Impulssignals durch die Impulszirkulierschaltung und zum Ausgeben von ein Zählergebnis repräsentierenden digitalen Daten; einer Zirkulationspositionserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Zirkulationsposition des Impulssignals in der Impulszirkulierschaltung auf Grundlage des Ausgangssignals der entsprechenden Invertierschaltungen und zum Ausgeben von die erfaßte Zirkulationsposition des Impulssignals repräsentierenden digitalen Daten; einer Steuereinrichtung zum Aktivieren der Anfangsinvertierschaltung und damit verbundenem Starten der Impulszirkulationsoperation der Impulszirkulierschaltung, und zum Aktivieren der Zirkulationspositionserfassungseinrichtung in einem eine vorbestimmte Zeitdauer nach einem Moment des Startens der Impulszirkulationsoperation auftretenden Augenblick; und einer Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben von Digitaldaten als ein A/D- Umwandlungsergebnis, wobei die A/D-Umwandlungsergebnisdaten aus den digitalen Ausgangsdaten der Zirkulationspositionserfassungseinrichtung bestehende niederwertigere Bits aufweist und aus den digitalen Ausgangsdaten des Zählers bestehende höherwertigere Bits.
Die Erfindung wird durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale weitergebildet.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer A/D-Umwandlungsschaltung nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Steuerschaltung gemäß Fig. 1.
Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm verschiedener Signale in der A/D-Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm einer Kombination eines Sensors mit der A/D-Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1.
Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm verschiedener Signale in einer Kombination einer Logikschaltung mit der A/D-Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer A/D-Umwandlungsschaltung nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Fig. 7 zeigt ein Zeitdiagramm verschiedener Signale in der A/D-Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 6.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen einer Eingangsspannung und einem entsprechenden digitalen Datenwert.
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer A/D-Umwandlungsschaltung nach einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Fig. 10 zeigt ein Zeitdiagramm verschiedener Signale in der A/D-Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 9.
Fig. 11 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen einer Eingangsspannung und entsprechenden digitalen Datenwerten.
Fig. 12 zeigt ein schematisches Diagramm mit Invertierern in der A/D-Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1.
Fig. 13 zeigt ein schematisches Diagramm einer NAND-Schaltung in der A/D-Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1.
Fig. 14 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen einer Eingangsspannung und einem digitalen Ausgangsdatenwert in der A/D-Umwandlungsschaltung gemäß Fig. 1.
Bezugnehmend auf Fig. 1 enthält eine A/D-Umwandlungsschaltung eine Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 2 und eine Steuerschaltung 4. Die Steuerschaltung enthält einen Generator, der Impulssignale PA und PB und ein Zählerrücksetzsignal CR erzeugt. Die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 2 empfängt die Impulssignale PA und PB der Steuerschaltung 4. Diese Schaltung 2 codiert eine Differenz zwischen den Phasen der Impulssignale PA und PB.
Die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 2 enthält eine Impulszirkulierschaltung oder eine verzögerte Impulserzeugungs- Ringschaltung 10, einen Zähler 12, eine Zwischenspeicherschaltung 15, einen Impulsauswähler 16, einen Codierer 18 und eine Signalverarbeitungsschaltung 19.
Die Impulszirkulierschaltung 10 enthält einen Ring oder eine Schleife aus einer NAND-Schaltung und einer vorbestimmten geraden Anzahl von Invertierern. In Fig. 1 wird die NAND- Schaltung durch "NAND" gekennzeichnet und die Invertierer durch "INV". Im einzelnen empfängt ein erster Eingangsanschluß der NAND-Schaltung das Impulssignal PA der Steuerschaltung 4. Der NAND-Schaltung ist eine Serien- oder Kaskadenkombination der Invertierer INV nachgeschaltet. Der Ausgangsanschluß des letzten Invertierers INV der Invertiererkaskadenkombination ist mit einem zweiten Eingangsanschluß der NAND-Schaltung verbunden. Die NAND-Schaltung wird durch einen Impuls des Signals PA getriggert. Wird die NAND- Schaltung getriggert, so beginnt ein Impuls durch den Ring in der Impulszirkulierschaltung 10 zu zirkulieren. Während der Zirkulation eines Impulses durch den Ring wird der Impuls aufeinanderfolgend durch die NAND-Schaltung und die Invertierer INV invertiert.
Der Eingangsanschluß des Zählers 12 ist mit dem Ausgangsanschluß des letzten Invertierers INV der Invertiererkaskadenkombination verbunden, d. h. der in der Impulszirkulierschaltung 10 unmittelbar der NAND-Schaltung des Rings vorausgehende Invertierer INV. Durch den letzten Invertierer INV ausgegebene Impulse werden durch diese Vorrichtung 12 gezählt. Das Impulszählergebnis stimmt mit einer Wiederholungszahl vollständiger Durchläufe oder Zirkulationen eines Impulses durch den Ring überein. Der Zähler 12 gibt Daten aus, die eine dem Impulszählergebnis entsprechende Binärzahl repräsentieren. Ein Rücksetzanschluß des Zählers 12 ist mit der Steuerschaltung 4 verbunden, um von dieser das Rücksetzsignal CR zu empfangen. Der Zähler 12 wird durch das Ausgangssignal CR der Steuerschaltung 4 periodisch zurückgesetzt.
Die Zwischenspeicherschaltung 14 empfängt die Ausgangsdaten des Zählers 12. Darüber hinaus empfängt die Zwischenspeicherschaltung 14 das Impulssignal PB von der Steuerschaltung 4. Die Zwischenspeicherschaltung 14 tastet die Ausgangsdaten des Zählers 12 im Ansprechen auf einen Impuls des Signals PB ab, und führt eine Zwischenspeicherung der abgetasteten Daten durch.
Der Impulsauswähler 16 empfängt die Ausgangssignale der NAND- Schaltung und der Invertierer INV in der Impulszirkulierschaltung 10. Darüber hinaus empfängt der Impulsauswähler 16 das Impulssignal PB von der Steuerschaltung 4. Der Impulsauswähler 16 extrahiert ein in dem Ring der Schaltung 10 zirku lierendes Impulssignal im Ansprechen auf einen Impuls des Signals PB, und erzeugt ein die Position des Impulssignals relativ zu dem Ring repräsentierendes Signal auf Grundlage der Ausgangssignale der NAND-Schaltung und der Invertierer INV in der Impulszirkulierschaltung 10, und gibt dieses aus.
Der Codierer 18 empfängt das Ausgangssignal des Impulsauswählers 16 und führt eine Umwandlung oder Codierung des Ausgangssignals des Impulsauswählers 16 in entsprechende Digitaldaten durch.
Die Signalverarbeitungsschaltung 19 empfängt die Ausgangsdaten der Zwischenspeicherschaltung 14 als höherwertigere Bitdaten. Die Signalverarbeitungsschaltung 19 empfängt die Ausgangsdaten des Codierers 18 als niederwertigere Daten. Die Signalverarbeitungsschaltung 19 enthält einen Subtrahierer. Die Signalverarbeitungsschaltung 19 subtrahiert die höherwertigeren Bitdaten von den niederwertigeren Bitdaten, wodurch Ausgangsdigitaldaten DO1 erzeugt werden, die eine der Differenz zwischen den Phasen der Impulssignale PA und PB entsprechende Binärzahl repräsentieren. Die Digitaldaten DO1 werden von dem Codierer 18 über eine Datenausgangsleitung 20 zu einer externen Vorrichtung (nicht gezeigt) übertragen.
Die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 2 arbeitet wie folgt. Ändert sich das durch die Steuerschaltung 4 ausgegebene Impulssignal PA von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel, so beginnt die Impulszirkulierschaltung 10 mit dem Zirkulieren eines Impulses durch deren Ring. Während das Impulssignal PA auf dem hohen Pegel verbleibt, führt die Impulszirkulierschaltung 10 die Zirkulation des Impulses durch den Ring fort. Die Wiederholungszahl vollständiger Zirkulationen des Impulses durch den Ring wird durch den Zähler 12 gemessen oder erfaßt. Ändert sich das durch die Steuerschaltung 4 ausgegebene Impulssignal PB von einen niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel, so werden die Ausgangsdaten des Zähler 12 durch die Zwischenspeicherschaltung 14 zwischengespeichert. Somit repräsentieren die Ausgangsdaten der Zwischenspeicherschaltung 14 die Wiederholungszahl vollständiger Zirkulationen des Impulses durch den Ring während des Intervalls zwischen dem Moment der ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment der ansteigenden Änderung des Impulssignals PB. Unmittelbar nach dem Moment der ansteigenden Änderung des Impulssignals PB wird der Zähler 12 durch das Ausgangssignal CR der Steuerschaltung 4 zuzurückgesetzt.
Darüber hinaus erfaßt der Impulsauswähler 16 die aktuelle Position des Impulses in dem Ring der Impulszirkulierschaltung 10, wenn das Impulssignal PB auf den hohen Pegel wechselt. Das die erfaßte aktuelle Position des Impulses repräsentierende Ausgangssignal des Impulsauswählers 16 wird durch den Codierer 18 in die entsprechenden Digitaldaten umgewandelt. Somit repräsentieren die Ausgangsdaten des Codierers 18 die im Moment der ansteigenden Änderung des Impulssignals PB vorliegende Position des Impulses in dem Ring der Impulszirkulierschaltung 10.
Die Signalverarbeitungsschaltung 19 erzeugt die Digitaldaten DO1 auf Grundlage der Ausgangsdaten der Zwischenspeicherschaltung 14 und der Ausgangsdaten des Codierers 18. Die Digitaldaten DO1 repräsentieren das Intervall Tc zwischen dem Moment der ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment der ansteigenden Änderung des Impulssignals PB.
Mit Ausnahme der Ausgestaltung der Spannungsversorgung kann die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 2 im wesentlichen mit den beispielsweise in dem US-Patent 5,128,624 gezeigten Impulsphasendifferenz-Codierschaltung übereinstimmen. Der Offenbarungsgehalt des US-Patents 5,128,624 wird hiermit als Bezug aufgenommen.
Die A-/D-Umwandlungsschaltung enthält einen Eingangsanschluß 2a zum Empfangen eines Eingangsspannungssignals Vin, das der A/D-Umwandlung unterzogen werden soll. Der Eingangsanschluß 2a ist mit einer Spannungsversorgungsleitung 10a der Spannungsversorgungsanschlüsse der NAND-Schaltung und der Invertierer INV der Impulszirkulierschaltung 10 verbunden. Somit empfangen die NAND-Schaltung und die Invertierer INV der Impulszirkulierschaltung 10 das Eingangsspannungssignal Vin als eine Versorgungsspannung.
Experimentell wurde festgestellt, daß die Geschwindigkeit der Signalinvertierung durch jede der NAND-Schaltung und Invertierer INV in der Impulszirkulierschaltung 10 von der an diesen anliegenden Versorgungsspannung abhängig ist. Somit sind die Ausgangsdaten DO1 der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 2 von dem Pegel des Eingangsspannungssignals Vin abhängig. Unter der Voraussetzung, daß das Intervall Tc zwischen dem Moment der ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment der ansteigenden Änderung des Impulssignals PB auf einen festen Wert eingestellt ist, repräsentieren die digitalen Ausgangsdaten DO1 genau den Pegel des Eingangsspannungssignals Vin.
Gemäß Fig. 2 enthält die Steuerschaltung 4 einen Oszillator 22, einen Zähler 24 und einen Decodierer 26. Der Oszillator 22 gibt ein Taktsignal CK mit einer vorbestimmten Festfrequenz aus. Die Vorrichtung 24 zählt Impulse des Taktsignals CK. Der Decodierer 26 erzeugt die Impulssignale PA und PB und das Zählerrücksetzsignal CR im Ansprechen auf das Ausgangssignal des Zählers 24. Die Impulssignale PA und PB und das Zählerrücksetzsignal CR weisen die in Fig. 3 gezeigten Signalverläufe auf. Das Intervall Tc zwischen dem Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PB wird fest beibehalten. Unmittelbar nach der Ände rung des Impulssignals PA von dem niedrigen Pegel auf den hohen Pegel ändert sich das Zählerrücksetzsignal CR von dem niedrigen Pegel auf den hohen Pegel.
Die durch die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 2 ausgegebenen Digitaldaten DO1 repräsentieren den Pegel des Eingangsspannungssignals Vin. Somit wird das Eingangsspannungssignal Vin in das entsprechende Digitalsignal DO1 umgewandelt. Diese A/D-Umwandlung wird im Ansprechen auf die durch die Steuerschaltung 4 ausgegebenen Impulssignale PA und PB periodisch wiederholt. Daher wird der durch die Ausgangsdaten DO1 repräsentierte Wert periodisch als D0, D1, D2, ... in Übereinstimmung mit einer Änderung des Eingangsspannungssignals Vin fortgeschrieben. Der Zähler 12 wird unmittelbar nach der Beendigung einer jeden A/D-Umwandlung durch das Ausgangssignal CR der Steuerschaltung 4 zuzurückgesetzt.
Es ist zu beachten, daß das Impulssignal PB anstelle des Zählerrücksetzsignals CR direkt zum Zurücksetzen des Zählers 12 verwendet werden kann.
Durch die A/D-Umwandlungsschaltung kann ein Eingangsspannungssignal, das sich in einem schmalen Bereich ändert, ohne Verwendung eines Verstärkers für das Eingangsspannungssignal verarbeitet werden. Somit weist die A/D-Umwandlungsschaltung nicht das durch Verwendung eines Verstärkers bei hohen Temperaturen mögliche Problem auf, so daß die A/D-Umwandlungsschaltung für eine Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist. Mit zunehmender Länge des Intervalls Tc zwischen dem Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PB steigt die Auflösung der A/D-Umwandlung. Wird das Intervall Tc beispielsweise verdoppelt, so wird die einem Bit der Ausgangsdaten DO1 entsprechende Spannung halbiert, so daß sich die Auflösung der A/D-Umwandlung verdoppelt. Somit kann die Auflösung der A/D-Umwandlung auf einfache Weise eingestellt werden.
Gemäß Fig. 4 kann die A/D-Umwandlungsschaltung in Verbindung mit einem Sensor 28 eingesetzt werden. Der Sensor 28 enthält ein Brückennetzwerk aus Widerständen, dem eine Konstantversorgungsspannung Vcc zugeführt wird. Die Spannung an einem Mittelpunkt des Brückennetzwerks ändert sich in Übereinstimmung mit einer gemessenen physikalischen Größe wie beispielsweise einem Druck, einer Beschleunigung oder einer Magnetfelddichte. Die A/D-Umwandlungsschaltung wird dem Sensor 28 nachgeschaltet und empfängt die Spannung an dem Mittelpunkt innerhalb des Sensor 28 als ein Eingangsspannungssignal. Somit wandelt die A/D-Umwandlungsschaltung die Mittelpunktspannung in entsprechende Digitaldaten DO1 um.
Falls sich die Ausgangsimpedanz des Sensors 28 und die Eingangsimpedanz der A/D-Umwandlungsschaltung stark unterscheiden, kann eine Impedanzanpaßschaltung oder eine Impedanzwandlerschaltung wie beispielsweise eine Sourcefolgerschaltung zwischen dem Sensor 28 und der A/D-Umwandlungsschaltung vorgesehen werden.
Der Sensor 28 kann ein Typ mit einem Hall-Element anstelle des Brückennetzwerks sein. In diesem Fall verarbeitet die A/D-Umwandlungsschaltung eine von den Bedingungen des Hall- Elements abhängige Spannung.
Der A/D-Umwandlungsschaltung kann eine Logikschaltung nachgeschaltet sein, die ein Signal mit hohem Pegel ausgibt, wenn sich der Wert der Ausgangsdaten DO1 der A/D-Umwandlungsschaltung erhöht, und die anderenfalls ein Signal mit niedrigem Pegel ausgibt. In diesem Fall ändern sich der durch die Digitaldaten DO1 repräsentierte Wert und das Ausgangssignal der Logikschaltung in Übereinstimmung mit einem Eingangsspannungssignal Vin gemäß Fig. 5. Das Ausgangssignal der Logik schaltung stellt ein zu einer Änderung des Eingangsspannungssignals Vin synchrones Impulssignal dar.
Es folgt eine weitere Beschreibung der NAND-Schalter und der Invertierer INV in der Impulszirkulierschaltung 10, und der Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Signalumkehr durch jede der NAND-Schaltung und Invertierer INV von der an diese angelegten Versorgungsspannung.
Die Invertierer INV weisen denselben Aufbau mit CMOS-Schaltungen auf. Gemäß Fig. 12 umfaßt jeder Invertierer INV ein Paar aus einem p-MOS-Feldeffekttransistor PTr und einem n- MOS-Feldeffekttransistor NTr. Die Source-Drain-Strecke des p- Transistors PTr und die Source-Drain-Strecke des n-Transistors NTr sind in Serie geschaltet. Die Kombination der Source-Drain-Strecken der Transistoren PTr und NTr ist zwischen eine Versorgungsleitung PW und Masse geschaltet. Der Versorgungsleitung PW wird das Eingangsspannungssignal Vin zugeführt. Die Gates der Transistoren PTr und NTr sind gemeinsam an eine vorhergehende Stufe angeschlossen. Die Sources der Transistoren PTr und NTr sind gemeinsam an eine nachfolgende Stufe angeschlossen. Parasitärkapazitäten CL sind zwischen die Eingangsseite der Invertierer INV und Masse und zwischen die Ausgangsseite der Invertierer INV und Masse geschaltet.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, daß solche Parasitärkapazitäten zu einer Verlangsamung der Signalumkehroperation eines Invertierers führen. Die Geschwindigkeit der Signalumkehr der Invertierer INV, d. h. die Umkehroperationszeit der Invertierer INV, wird im allgemeinen durch die Lade- und Entladeraten der Parasitärkapazität CL bestimmt. Die Parasitärkapazität CL wird durch einen Drainstrom Ic über den p- Transistor PTr geladen. Die Parasitärkapazität CL wird durch einen Drainstrom Id des n-Transistors-NTr entladen. Mit steigendem Pegel des Eingangsspannungssignals Vin erhöhen sich die Drainströme Ic und Id über die Transistoren PTr und NTr, so daß die Lade- und Entladeraten der Parasitärkapazität CL ebenfalls ansteigen. Die Erhöhung der Lade- und Entladerate der Parasitärkapazität CL führt zu einer höheren Geschwindigkeit der Signalumkehr oder einer kürzeren Umkehroperationszeit. Somit ändert sich die Geschwindigkeit der Signalumkehr oder die Umkehroperationszeit in Übereinstimmung mit dem Pegel des Eingangsspannungssignals Vin.
Es wurden Experimente durchgeführt, bei denen die Umkehroperationszeit eines durch 1,5 um-CMOS-Prozeßtechnologien hergestellten Invertierers bei veränderten Pegeln eines Eingangsspannungssignals Vin gemessen wurde. Während der Experimente betrug die Umgebungstemperatur bezüglich des Invertierers 25ºC. Entsprechend den Ergebnissen der Experimente betrugen die gemessenen Werte der Umkehroperationszeit 1055 ps, 793 ps, 649 ps und 564 ps bei einem Eingangsspannungswert von 4,0 V, 5,0 V, 6,0 V bzw. 7,0 V.
Gemäß Fig. 13 umfaßt die NAND-Schaltung p-MOS-Feldeffekttransistoren PTr1 und PTr2 und n-MOS-Feldeffekttransistoren NTr1 und NTr2. Die Sources der p-Transistoren PTr1 und PTr2 sind gemeinsam an eine Versorgungsspannungsleitung PW angeschlossen, der das Eingangsspannungssignal Vin zugeführt wird. Das Gate des p-Transistors PTr1 empfängt das Impulssignal PA von der Steuerschaltung 4. Das Gate des p-Transistors PTr2 ist mit einer vorhergehenden Stufe verbunden. Die Drains der p- Transistoren PTr1 und PTr2 sind gemeinsam an das Drain des n- Transistors NTr1 angeschlossen. Der Übergang zwischen den Drains der p-Transistoren PTr1 und PTr2 und dem n-Transistor NTr1 sind an eine nachfolgende Stufe angeschlossen. Das Gate des n-Transistors NTr1 ist mit der vorhergehenden Stufe verbunden. Das Source des n-Transistors NTr1 ist mit dem Drain des n-Transistors NTr2 verbunden. Das Gate des n-Transistors NTr2 empfängt das Impulssignal PA von der Steuerschaltung 4. Das Source des n-Transistors NTr2 ist mit Masse verbunden. Parasitärkapazitäten CL (in Fig. 13 nicht gezeigt) sind zwi schen die Eingangsseite der NAND-Schaltung und Masse und zwischen die Ausgangsseite der NAND-Schaltung und Masse geschaltet. Die Umkehroperationszeit der NAND-Schaltung ist aus ähnlichem Grunde, wie bereits bezüglich den Invertierern INV beschrieben, von dem Pegel des Eingangsspannungssignals Vin abhängig.
Es wurden Experimente durchgeführt zum Messen der Beziehung zwischen dem durch die digitalen Ausgangsdaten DO1 repräsentierten numerischen Wert und dem Pegel des Eingangsspannungssignals Vin. Die bei den Experimenten verwendete A/D-Umwandlungsschaltung wies eine durch 1,5 um-CMOS-Prozeßtechnologien hergestellte Impulszirkulierschaltung 10 auf. Während der Experimente wurde das Intervall Tc zwischen dem Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauffolgenden Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PB auf 1000 ns eingestellt und die Umgebungstemperatur bezüglich der Impulszirkulierschaltung 10 betrug 25ºC. Fig. 14 zeigt die Ergebnisse der Experimente.
Es folgt eine weitere Beschreibung der Funktionsweise der A/D-Umwandlungsschaltung. Der Zähler 12, der Zwischenspeicher 14, der Impulsauswähler 16 und der Codierer 18 wirken zum Erfassen der durch den Impuls in dem Ring der Impulszirkulierschaltung 10 während des festen Intervalls Tc durchlaufenen Gesamtdistanz zusammen. Mit anderen Worten erfolgt eine Erfassung der Zirkulationsgeschwindigkeit des Impulses durch den Ring. Die Zirkulationsgeschwindigkeit des Impulses durch den Ring wird durch die Umkehroperationszeit einer jeden der NAND-Schaltung und Invertierer IMV in der Impulszirkulierschaltung 10 bestimmt. Wie bereits erwähnt, ist die Umkehroperationszeit einer jeden der NAND-Schaltung und der Invertierer INV von dem Pegel des Eingangsspannungssignals Vin abhängig. Somit ist die Zirkulationsgeschwindigkeit des Impulses durch den Ring von dem Pegel des Eingangsspannungssignals VIN abhängig, und eine Erfassung der Zirkulationsgeschwindig keit des Impulses durch den Ring ermöglicht ein Erfassen des Pegels des Eingangsspannungssignals Vin. Die von dem Erfassungsergebnis der Zirkulationsgeschwindigkeit des Impulses durch den Ring abhängigen digitalen Daten DO1 entsprechen den die analoge Eingangsspannung Vin repräsentierenden Digitaldaten.

BESCHREIBUNG DES ZWEITEN BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 umfaßt eine A/D-Umwandlungsschaltung eine Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 32 und eine Steuerschaltung 34. Die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 32 ähnelt der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 2 des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 1 bis 5 und 12 bis 14. Die Steuerschaltung 34 gleicht im wesentlichen der Steuerschaltung 4 des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 1 bis 5. Die Steuerschaltung 34 enthält einen Generator, der Impulssignale PA und PB und ein Zählerrücksetzsignal CR (in Fig. 6 nicht gezeigt) erzeugt. Darüber hinaus enthält die Steuerschaltung 34 einen Generator, der ein Auswahlsignal SEL erzeugt. Die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 32 empfängt die Impulssignale PA und PB von der Steuerschaltung 34. Diese Schaltung 32 codiert eine Differenz zwischen den Phasen der Impulssignale PA und PB in Digitaldaten DO1.
Gemäß Fig. 7 ändert das Auswahlsignal SEL seinen logischen Pegel zu einem festen Zeitpunkt, der auf eine ansteigende Änderung des Impulssignals PB folgt. Die Steuerschaltung 34 kann einen modifizierten Decodierer enthalten, der das Auswahlsignal SEL im Ansprechen auf das Ausgangssignal eines Zählers erzeugt. Gemäß einem weiteren Beispiel enthält die Steuerschaltung 34 ein das Impulssignal PB empfangendes Verzögerungselement und ein dem Verzögerungselement nachgeschaltetes Flip-Flop. Bei diesem Beispiel erzeugt die Kombination des Verzögerungselements mit dem Flip-Flop das Auswahlsignal SEL aus dem Impulssignal PB.
Ein Schalter 36 enthält zwei feste Kontakte, denen das Eingangsspannungssignal Vin bzw. ein Bezugssignal VR zugeführt wird. Das Bezugssignal VR weist eine vorbestimmte Spannung auf. Der Schalter 36 enthält einen bewegbaren Kontakt, der zu einem Eingangsanschluß 32a der Impulsphasendifferenz- Codierschaltung 32 führt. Der Schalter 36 enthält einen Steueranschluß, der das Auswahlsignal SEL von der Steuerschaltung 34 empfängt. Der Schalter 36 verbindet den bewegbaren Kontakt wahlweise mit einem der festen Kontakte im Ansprechen auf das Auswahlsignal SEL. Somit wählt der Schalter 36 das Eingangsspannungssignal Vin oder das Bezugsspannungssignal VR im Ansprechen auf das Auswahlsignal SEL und überträgt das ausgewählte Signal zu der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 32.
Ein Schalter 42 enthält einen bewegbaren Kontakt, der die Ausgangsdaten DO1 von der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 32 empfängt. Der Schalter 42 enthält auch zwei feste Kontakte, die mit den Eingangsanschlüssen der Register 38 bzw. 40 verbunden sind. Der Schalter 42 enthält einen Steueranschluß, der das Auswahlsignal SEL von der Steuerschaltung 34 empfängt. Der Schalter 42 verbindet den bewegbaren Kontakt wahlweise mit einem der festen Kontakte im Ansprechen auf das Auswahlsignal SEL. Somit führt der Schalter 42 die Ausgangsdaten DO1 von der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 32 im Ansprechen auf das Auswahlsignal SEL einem der Register 38 und 40 zu. Im einzelnen werden die dem Eingangsspannungssignal Vin entsprechenden Digitaldaten DO1 dem Register 38 als Informationsdaten DVin zugeführt und dort gespeichert. Andererseits werden die dem Bezugsspannungssignal VR entsprechenden Digitaldaten DO1 als Bezugsdaten DR dem Register 40 zugeführt und dort gespeichert.
Ein Dividierer 44 ist den Registern 38 und 40 nachgeschaltet. Der Dividierer 44 empfängt die aus den Registern 38 und 40 gelesenen Digitaldaten DVin und DR. Wie bereits erläutert, entsprechen die Digitaldaten DVin dem Eingangsspannungssignal Vin während die Digitaldaten DR dem Bezugsspannungssignal VR entsprechen. Die Vorrichtung 44 dividiert die dem Eingangsspannungssignal Vin entsprechenden Digitaldaten DVin durch die dem Bezugsspannungssignal VR entsprechenden Digitaldaten DR, und korrigiert dadurch die Digitaldaten DVin in Digitaldaten DO2 in Übereinstimmung mit den Bezugsdaten DR. Die Digitaldaten DO2 repräsentieren das Divisionsergebnis "DVin/DR".
Die A/D-Umwandlungsschaltung arbeitet wie folgt. Gemäß den Fig. 6 und 7 wird das Eingangsspannungssignal Vin oder das Bezugsspannungssignal VR abwechselnd und periodisch durch den Schalter 36 als Eingangssignal VD1 für die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 32 im Ansprechen auf das Auswahlsignal SEL ausgewählt. Somit gibt die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 32 Digitaldaten DO1 aus, die abwechselnd und periodisch die dem Eingangsspannungssignal Vin entsprechenden Digitaldaten DVin oder die dem Bezugsspannungssignal VR entsprechenden Digitaldaten DR repräsentieren. Die dem Eingangsspannungssignal Vin entsprechenden Digitaldaten DVin werden über den Schalter 42 in dem Register 38 gespeichert. Die dem Bezugsspannungssignal VR entsprechenden Digitaldaten DR werden über den Schalter 42 in dem Register 40 gespeichert. Die Digitaldaten DVin werden von dem Register 38 zu dem Dividierer 44 weitergeleitet. Die Digitaldaten DR werden vom dem Register 40 zu dem Dividierer 44 weitergeleitet. Die Vorrichtung 44 dividiert die Digitaldaten DVin durch die Digitaldaten DR und erzeugt dadurch Digitaldaten DO2, die dem Divisionsergebnis "DVin/DR" entsprechen. Die Digitaldaten DO2 stellen die abschließenden Ausgangsdaten dar, die das Ergebnis der A/D-Umwandlung des Eingangsspannungssignals Vin repräsentieren.
In einigen Fällen neigt die Geschwindigkeit der Signalumkehr durch jede einer NAND-Schaltung und der Invertierer INV in einer Impulszirkulierschaltung 10 der Impulsphasendifferenz- Codierschaltung 32 zu temperaturabhängigen Änderungen. Selbst bei Temperaturschwankungen sind die Digitaldaten DO2 aus den nachfolgenden Gründen im wesentlichen von einer Genauigkeitsverringerung befreit, die durch eine temperaturabhängige Änderung der Signalumkehrgeschwindigkeit in jeder der NAND- Schaltung und der Invertierer INV hervorgerufen würde. Bei einer Temperaturschwankung ändern sich die dem Eingangsspannungssignal Vin entsprechenden Digitaldaten DVin in Übereinstimmung mit der Temperaturschwankung. In gleicher Weise ändern sich die dem Bezugsspannungssignal VR entsprechenden Digitaldaten DR in Übereinstimmung mit der Temperaturschwankung. Durch das Dividieren der Digitaldaten DVin durch die Digitaldaten DR werden die temperaturabhängigen Änderungen der Digitaldaten DVin und DR gegenseitig aufgehoben. Somit wird eine durch die temperaturabhängige Änderung der Signalumkehrgeschwindigkeit in jeder der NAND-Schaltung und Invertierer INV hervorgerufene negative Beeinflussung der abschließenden Ausgangsdaten DO2 verhindert. Mit anderen Worten sind die abschließenden Ausgangsdaten DO2 im wesentlichen unabhängig von den Temperaturschwankungen.

BESCHREIBUNG DES DRITTEN BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Es folgt eine Beschreibung einer theoretischen Grundlage einer A/D-Umwandlungsschaltung. Gemäß Fig. 8 kann sich ein Eingangsspannungssignal Vin zwischen einem Minimalpegel VR1 und einem Maximalpegel VR2 ändern. Der Minimalpegel VR1 und der Maximalpegel VR2 werden als Bezugsspannungssignale verwendet. Digitaldaten DR1 entsprechen einem Ergebnis der A/D- Umwandlung des minimalen Spannungssignals VR1. Digitaldaten DR2 entsprechen einem Ergebnis der A/D-Umwandlung des maximalen Spannungssignals VR2. Das Intervall Tc zwischen dem Moment einer ansteigenden Änderung eines Impulssignals PA und dem darauffolgenden Moment einer ansteigenden Änderung eines Impulssignals PB wird durch eine PLL (Phasenregelschleife) so gesteuert, daß die Differenz "DR2-DR1" unabhängig von einer Temperaturschwankung oder anderen Zustandsänderungen im wesentlichen auf einem vorbestimmten Wert (entsprechend beispielsweise 100 = 1100 - 1000) beibehalten wird. Somit kann eine Spannungsauflösung (Trennung) pro Bit fest beibehalten werden, und erste Digitaldaten DVin, die ein Ergebnis der A/D-Umwandlung eines aktuellen Eingangsspannungssignals Vin repräsentieren, können in zweite Digitaldaten korrigiert werden, die im wesentlichen von einer durch eine Temperaturschwankung verursachten Genauigkeitsverringerung befreit sind.
In einem Beispiel mit einer minimalen Spannung VR1 von 4,5 V und einer maximalen Spannung VR2 von 5,5 V ergibt sich ein einem LSB entsprechender Spannungswert (Spannungsauflösung) zu:
LSB = (VR2 - VR1)/(DR2 - DR4) - 1000/100 = 10 (mV)
Das Bezugszeichen VS wird im folgenden zum Kennzeichnen des Unterschieds zwischen dem minimalen Spannungssignal VR1 und dem aktuellen Eingangsspannungssignal Vin eingeführt. Falls sich der durch die Ausgangsdaten DO1 einer Impulsphasendifferenz-Codierschaltung repräsentierte Wert linear mit dem Eingangsspannungssignal Vin in dem Bereich zwischen den minimalen und maximalen Pegeln VR1 und VR2 ändert, ergibt sich die Differenz VS zwischen dem minimalen Spannungssignal VR1 und dem aktuellen Eingangsspannungssignal Vin wie folgt:
VS = LSB · (DVin - DR1)
Somit kann das aktuelle Eingangsspannungssignal Vin durch die nachfolgende Gleichung berechnet werden.
Vin = VR1 + LSB · (DVin - DR1)
Die A/D-Umwandlungsschaltung wird unter Verwendung der vorstehend beschriebenen theoretischen Grundlage entwickelt.
Es folgt eine weitere Beschreibung der A/D-Umwandlungsschaltung. Bezugnehmend auf Fig. 9 enthält die A/D-Umwandlungsschaltung eine Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 52 und eine Steuerschaltung 54. Die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 52 ähnelt der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 2 des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 1 bis 5 und 12 bis 14.
Die Steuerschaltung 54 enthält einen digital gesteuerten Oszillator 56, einen Zähler 58 und Decodierer 60. Der Oszillator 56 empfängt ein digitales Steuersignal (Steuerdaten) DC3 und gibt ein Taktsignal CK mit einer im Ansprechen auf das Digitalsteuersignal DC3 gesteuerten Frequenz aus. Das Taktsignal CK weist ein in Fig. 10 gezeigte Signalform auf. Die Vorrichtung 58 zählt die Impulse des Taktsignals CK. Der Decodierer 60 erzeugt Impulssignale PA und PB und ein Zählerumsetzsignal CR (in Fig. 9 nicht gezeigt) im Ansprechen auf das Ausgangssignal des Zählers 58. Die Impulssignale PA und PB weisen in Fig. 10 gezeigte Signalverläufe auf. Der Decodierer 60 erzeugt auch ein Auswahlsignal SEL3 im Ansprechen auf das Ausgangssignal des Zählers 58. Gemäß Fig. 10 ändert sich das Auswahlsignal SEL3 periodisch und zyklisch zwischen drei verschiedenen Zuständen "1", "2" und "3" in einem auf jede ansteigende Änderung des Impulssignals PB folgenden Zeitpunkt. Da die Frequenz des Taktsignals CK im Ansprechen auf das Digitalsteuersignal DC3 gesteuert wird, sind das Ausgangssignal des Zählers 58 und auch die Impulssignale PA und PB von dem Steuersignal DC3 abhängig. Im einzelnen wird das Intervall Tc zwischen dem Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PB im Ansprechen auf das Steuersignal DC3 gesteuert.
Die Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 52 empfängt die Impulssignale PA und PB von der Steuerschaltung 54. Diese Schaltung 52 codiert eine Differenz zwischen den Phasen der Impulssignale PA und PB in Digitaldaten DO1.
Ein Schalter 62 enthält drei feste Kontakte, denen ein Eingangsspannungssignal Vin, das Minimalspannungssignal VR1 bzw. das Maximalspannungssignal VR2 zugeführt werden. Der Schalter 62 enthält einen bewegbaren Kontakt, der zu einem Eingangsanschluß 52a der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 52 führt. Der Schalter 62 enthält einen das Auswahlsignal SEL 3 von der Steuerschaltung 54 empfangenden Steueranschluß. Der Schalter 62 verbindet den bewegbaren Kontakt im Ansprechen auf das Auswahlsignal SEL3 wahlweise mit einem der festen Kontakte. Somit wählt der Schalter 62 periodisch und zyklisch das Eingangsspannungssignal Vin, das minimale Spannungssignal VR1, oder das maximale Spannungssignal VR2 im Ansprechen auf das Auswahlsignal SEL3 und überträgt das ausgewählte Signal VD1 zu der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 62. Somit ändert sich das Eingangssignal VD1 der Impulsphasendifferenz- Codierschaltung 62 periodisch und zyklisch zwischen dem Eingangsspannungssignal Vin, dem minimalen Spannungssignal VR1 und dem maximalen Spannungssignal VR2, wie in Fig. 10 gezeigt ist.
Ein Schalter 70 enthält einen bewegbaren Kontakt, der die Ausgangsdaten DO1 der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 52 empfängt. Der Schalter 70 enthält auch drei feste Kontakte, die mit den Eingangsanschlüssen der Register 64, 66 bzw. 68 verbunden sind. Der Schalter 70 enthält einen das Auswahlsignal SEL3 von der Steuerschaltung 54 empfangenden Steueranschluß. Der Schalter 70 verbindet den bewegbaren Kontakt im Ansprechen auf das Auswahlsignal SEL3 wahlweise mit einem der festen Kontakte. Somit führt der Schalter 70 die Ausgangsdaten DO1 von der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 52 periodisch und zyklisch einem der Register 64, 66 und 68 im Ansprechen auf das Auswahlsignal SEL3 zu. Im einzelnen werden die dem Eingangsspannungssignal Vin entsprechenden Digitaldaten DO1 dem Register 64 als Informationsdaten DVin zugeführt und dort gespeichert. Die dem minimalen Spannungssignal VR1 entsprechenden Digitaldaten DO1 werden dem Register 66 als Bezugsdaten DR1 zugeführt und dort gespeichert. Die dem maximalen Spannungssignal VR2 entsprechenden Digitaldaten DO1 werden dem Register 68 als Bezugsdaten DR2 zugeführt und dort gespeichert. Mit anderen Worten ändern sich die Ausgangsdaten DO1 periodisch und zyklisch zwischen den Informationsdaten DVin, den Bezugsdaten DR1, und den Bezugsdaten DR2, wie in Fig. 10 gezeigt ist.
Das Intervall Tc zwischen dem Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PB wird so gesteuert, daß die Differenz zwischen den dem minimalen Spannungssignal VR1 entsprechenden Bezugsdaten DR1 und den dem maximalen Spannungssignal VR2 entsprechenden Bezugsdaten DR2 im wesentlichen auf einem vorbestimmten festen Wert DBS beibehalten werden können. Es folgt eine nähere Beschreibung der Hardwareanordnung zur Ermöglichung dieser Steuerung.
Die Bezugsdaten DR1 werden von dem Register 66 zu einem Subtrahierer 72 übertragen. Die Bezugsdaten DR2 werden von dem Register 68 zu dem Subtrahierer 72 übertragen. Der Subtrahierer 72 führt eine Subtraktion zwischen den Bezugsdaten DR1 und dem Bezugsdaten DR2 durch, und erzeugt dadurch Daten ΔD12, die die Differenz zwischen den Bezugsdaten DR1 und den Bezugsdaten DR2 repräsentieren. Hierbei gilt ΔD12 = DR2 - DR1. Der Subtrahierer 72 gibt die Differenzdaten ΔD12 an einen weiteren Subtrahierer 74 aus. Der Subtrahierer 74 empfängt die Bezugsdaten DBS von einer geeigneten Signalquelle (nicht gezeigt). Die Bezugsdaten DBS repräsentieren den vorbestimmten festen Wert, der einem Zielwert des Intervalls Tc zwischen dem Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PB entspricht. Der vorbestimmte feste Wert DBS beträgt beispielsweise 100, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Der Subtrahierer 74 führt eine Subtraktion zwischen den Differenzdaten ΔD12 und den Bezugsdaten DBS durch, und erzeugt dadurch Daten DC1, die die Differenz zwischen den Differenzdaten ΔD12 und den Bezugsdaten DBS repräsentieren. Hierbei gilt DC1 = DBS - ΔD12. Der Subtrahierer 74 gibt die Differenzdaten DC1 an ein digitales Schleifenfilter 76 aus. Das digitale Schleifenfilter 76 entfernt hochfrequente Störungskomponenten der Differenzdaten DC1, wodurch störungsfreie Daten DC2 aus den Differenzdaten DC1 erzeugt werden. Das digitale Streifenfilter 76 gibt die störungsfreien Daten DC2 an einen Addierer 78 aus. Die Vorrichtung 78 addiert die störungsfreien Daten DC2 zu den Steuerdaten DC3. Wie bereits erläutert, wird die Schwingungsfrequenz des digital gesteuerten Oszillators 56 durch die Steuerdaten DC3 innerhalb der Steuerschaltung 54 bestimmt. Der Addierer 78 gibt Daten aus, die das Additionsergebnis repräsentieren. Die Ausgangsdaten des Addierers 78 werden in einem Register 80 als nächste Steuerdaten DC3 gespeichert. Die aus dem Register 80 ausgelesenen Daten werden als neue Steuerdaten DC3 verwendet, die der Steuerschaltung 56 und auch dem Addierer 78 zugeführt werden. Die Daten ΔD12, DC1, DC2 und DC3 werden periodisch zu Zeitpunkten gemäß Fig. 10 fortgeschrieben.
Entsprechen die Differenzdaten DC1 zwischen den Daten ΔD12 und den Daten DBS einem positiven Wert, so werden die positiven Daten DC2 zu den aktuellen Steuerdaten DC3 addiert, um nächste Steuerdaten DC3 zu erzeugen. Als Resultat erhöht sich der Wert der Steuerdaten DC3. Die Schwingungsfrequenz des digital gesteuerten Oszillators 56 steigt im Ansprechen auf die ansteigenden Steuerdaten DC3, so daß das Intervall Tc zwi schen dem Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PB verkürzt wird. Das verkürzte Intervall Tc führt zu einer Änderung oder Bewegung der Daten ΔD12 in Richtung der Daten DBS. Entsprechen dagegen die Differenzdaten DC1 zwischen den Daten ΔD12 und den Daten DBS einem negativen Wert, so werden die negativen Daten DC2 zu den aktuellen Steuerdaten DC3 addiert, um nächste Steuerdaten DC3 zu erzeugen. Als Resultat verringert sich der Wert der Steuerdaten DC3. Die Schwingungsfrequenz des digital gesteuerten Oszillators 56 sinkt im Ansprechen auf die verringerten Steuerdaten DC3, so daß das Intervall Tc zwischen dem Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PB verlängert wird. Ein verlängertes Intervall Tc führt zu einer Änderung oder Bewegung ΔD12 in Richtung der Daten DBS. Als Resultat solcher Vorgänge, werden die die Differenz zwischen den Bezugsdaten DR1 und den Bezugsdaten DR2 repräsentierenden Daten ΔD12 im wesentlichen mit den Bezugsdaten DBS in Übereinstimmung gehalten.
Darüber hinaus werden die Bezugsdaten DR1 von dem Register 66 zu einem Subtrahierer 82 übertragen. Die Informationsdaten DVin werden von dem Register 64 zu dem Subtrahierer 82 übertragen. Der Subtrahierer 82 führt eine Subtraktion zwischen den Bezugsdaten DR1 und den Informationsdaten DVin durch und erzeugt dadurch Daten DO3, die die Differenz zwischen den Bezugsdaten DR1 und den Informationsdaten DVin repräsentieren. Hierbei gilt DO3 = DVin - DR1. Der Subtrahierer 82 gibt die Differenzdaten DO3 an ein ROM 84 und auch an eine externe Vorrichtung (nicht gezeigt) aus. Das ROM 84 speichert Daten zum Korrigieren der Differenzdaten DO3 in abschließende Ausgangsdaten DO4 die den Pegel des Eingangsspannungssignals Vin repräsentieren. Somit wandelt das ROM 84 die Differenzdaten DO3 in abschließende Ausgangsdaten DO4 um. Die abschließenden Ausgangsdaten DO4 werden von dem ROM 84 zu einer externen Vorrichtung (nicht gezeigt) übertragen. Die Daten DO3 und die Daten DO4 werden periodisch zu Zeitpunkten gemäß Fig. 10 fortgeschrieben.
Die Vorrichtung 82 subtrahiert die Bezugsdaten DR1 von den Informationsdaten DVin, wobei die Digitaldaten DO3 erzeugt werden, die den Spannungspegel des Eingangsspannungssignals Vin bezüglich dem minimalen Spannungssignal VR1 repräsentieren. Gemäß Fig. 11 ändert sich der durch die Digitaldaten DO3 repräsentierte Wert in nichtlinearer Weise mit der Eingangsspannung Vin. Das ROM 84 speichert Daten, die Korrekturwerte zum Kompensieren der Nichtlinearität repräsentieren. Das ROM 84 korrigiert die Digitaldaten DO3 in die abschließenden Ausgangsdaten DO4, die einen sich linear mit der Eingangsspannung Vin ändernden Wert repräsentieren, wie in Fig. 11 dargestellt ist. Die Nichtlinearität wird durch die Eigenschaften einer NAND-Schalter und Invertierer einer Impulszirkulierschaltung innerhalb der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 52 verursacht. Die Ursache für die Nichtlinearität liegt im einzelnen darin, daß durch die NAND-Schaltung und die Invertierer bereitgestellte Signalverzögerungszeiten kein 1-zu-1- Verhältnis zu einer Änderung der diesen zugeführten Versorgungsspannung aufweisen.
Die Subtrahierer 72 und 74, das digitale Schleifenfilter 76, der Addierer 78, das Register 80 und der digital gesteuerte Oszillator 56 bilden eine digitale PLL. Das Intervall Tc zwischen den Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PA und dem darauf folgenden Moment einer ansteigenden Änderung des Impulssignals PB wird durch die PLL so gesteuert, daß der Unterschied ΔD12 zwischen den Bezugsdaten DR1 und den Bezugsdaten DR2 im wesentlichen auf dem vorbestimmten festen Wert DBS (beispielsweise gleich 100) beibehalten werden kann. Somit repräsentieren die Digitaldaten DO3 fortlaufend in genauer Weise die Eingangsspannung Vin, selbst wenn die Geschwindigkeit der Signalumkehr durch jede der NAND- Schaltung und Invertierer INV der Impulszirkulierschaltung innerhalb der Impulsphasendifferenz-Codierschaltung 52 durch eine Temperaturänderung oder andere Ursachen verändert wird. Durch die Korrektur der Digitaldaten DO3 anhand des ROM 84 werden abschließende Ausgangsdaten DO4 bereitgestellt, die sich im 1-zu-1-Verhältnis zu der Eingangsspannung Vin ändern.
Die in dem ROM 84 gespeicherten Korrekturdaten können so modifiziert werden, daß sich der durch die abschließenden Ausgangsdaten DO4 repräsentierte Wert als eine geeignete nichtlineare Funktion, wie beispielsweise eine Sinusfunktion, der Eingangsspannung Vin ändert.
Der digital gesteuerte Oszillator 56 kann ein Typ sein, der in der US-Patentanmeldung Nr. 956,955, eingereicht am 2. Oktober 1992 mit dem Titel "VARIABLE-FREQUENCY OSCILLATION CIRCUIT AND A DIGITALLY CONTROLLED OSCILLATOR" offenbart ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit als Bezug aufgenommen wird. Der digital gesteuerte Oszillator 56 kann auch bekannter Typ wie beispielsweise ein Typ mit einem Digital-Analog-(D/A)- Umsetzer, einem spannungsgesteuerten Oszillator und einer Signalverlaufsformgebungsschaltung sein. In diesem Fall werden die Steuerdaten DC3 durch den D/A-Umsetzer in ein entsprechendes Analogsignal umgewandelt, und das Analogsignal wird dem spannungsgesteuerten Oszillator als Steuersignal zugeführt. Somit erzeugt der spannungsgesteuerte Oszillator ein Signal mit einer von den Steuerdaten DC3 abhängigen Frequenz. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators wird durch die Signalverlaufsformgebungsschaltung in das Taktsignal CK mit Rechteckwellenform umgewandelt.
Eine Impulszirkulierschaltung enthält Invertierschaltungen jeweils zum Invertieren eines Eingangssignals und Ausgeben einer Invertierung des Eingangssignals. Eine Signalumkehrzeit in jeder der Invertierschaltungen ändert sich in Übereinstimmung mit einer an diese angelegten Versorgungsspannung. Eine der Invertierschaltungen bildet eine Anfangsinvertierschaltung, deren Umkehroperation steuerbar ist. In der Impulszirkulierschaltung wird ein Impulssignal nach dem Operationsbeginn der Anfangsinvertierschaltung zirkuliert. Ein Eingangsanschluß, dem ein analoges Spannungssignal zugeführt wird, ist mit Versorgungsleitungen der entsprechenden Invertierschaltungen verbunden, um das analoge Spannungssignal den Invertierschaltungen als diesen zugeführte Versorgungsspannung zuzuführen. Ein Zähler dient zum Zählen einer Wiederholungszahl vollständiger Zirkulationen des Impulssignals durch die Impulszirkulierschaltung. Eine Zirkulationspositionserfassungsvorrichtung dient zum Erfassen einer Zirkulationsposition des Impulssignals in der Impulszirkulierschaltung auf Grundlage der Ausgangssignale der entsprechenden Invertierschaltungen. Eine Steuervorrichtung dient zum Aktivieren der Anfangsinvertierschaltung, wodurch die Impulszirkulationsoperation der Impulszirkulierschaltung gestartet wird, und zum Aktivieren der Zirkulationspositionserfassungsvorrichtung in einem einem Startmoment der Impulszirkulationsoperation um eine gegebene Zeitdauer folgenden Moment. Eine Ausgabevorrichtung dient zum Ausgeben von Digitaldaten als ein A/D- Umwandlungsergebnis. Das A/D-Umwandlungsergebnis weist niederwertige Bits auf, die aus digitalen Ausgangsdaten der Zirkulationspositionserfassungsvorrichtung bestehen, und höherwertige Bits, die aus digitalen Ausgangsdaten des Zählers bestehen.

Claims

1. A/D-Umwandlungsschaltung zum Umwandeln eines analogen Spannungssignals in entsprechende Digitaldaten, mit:

einer Impulszirkulierschaltung (10) umfassend Invertierschaltungen (INV) jeweils zum Invertieren eines Eingangssignals dieser und zum Ausgeben einer Invertierung des Eingangssignals, wobei sich eine Zeitdauer der Signalinvertierung in jeder der Invertierschaltungen in Übereinstimmung mit einer an diesen anliegenden Versorgungsspannung ändert, wobei eine der Invertierschaltungen eine Anfangsinvertierschaltung bildet, deren Invertieroperation steuerbar ist, und wobei die Impulszirkulierschaltung ein Impulssignal nach dem Operationsbeginn der Anfangsinvertierschaltung durch diese zirkuliert;

einem Eingangsanschluß (2a), dem das analoge Spannungssignal zugeführt wird, und der mit Versorgungsleitungen der entsprechenden Invertierschaltungen verbunden ist, zum Anlegen des analogen Spannungssignals an die Invertierschaltungen als eine diesen zugeführte Versorgungsspannung;

einem Zähler (12) zum Zählen einer Wiederholungszahl vollständiger Zirkulation des Impulssignals durch die Impulszirkulierschaltung, und zum Ausgeben von Digitaldaten, die ein Zählergebnis repräsentieren;

einer Zirkulationspositionserfassungsvorrichtung (16) zum Erfassen einer Zirkulationsposition des Impulssignals in der Impulszirkulierschaltung auf Grundlage von Ausgangssignalen der entsprechenden Invertierschaltungen, und zum Ausgeben von digitalen Daten, die die erfaßte Zirkulationsposition des Impulssignals repräsentieren;

einer Steuereinrichtung (4) zum Aktivieren der Anfangsinvertierschaltung, wodurch die Impulszirkulationsoperation der Impulszirkulierschaltung gestartet wird, und zum Aktivieren der Zirkulationspositionserfassungsvorrichtung in einem Moment, der eine gegebene Zeitdauer nach einem Moment des Beginns der Impulszirkulationsoperation folgt; und

einer Ausgabevorrichtung (19) zum Ausgeben von digitalen Daten als ein A/D-Umwandlungsergebnis, wobei das A/D-Umwandlungsergebnis Daten mit niederwertigeren Bits aufweist, die aus den Ausgangsdigitaldaten der Zirkulationspositionserfassungsvorrichtung gebildet sind, und höherwertigeren Bits, die aus den Ausgangsdigitaldaten des Zählers gebildet sind.

2. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die A/D- Umwandlungsergebnisdaten einem Zeitintervall entsprechen, ausgehend von einem Moment des Startens der Impulszirkulationsoperation der Impulszirkulierschaltung bis zu einem Moment des Aktivierens der Zirkulationspositionserfassungsvorrichtung.

3. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 1, wobei sich die A/D-Umwandlungsergebnisdaten in Übereinstimmung mit dem als die Versorgungsspannung an die Invertierschaltung angelegten analogen Spannungssignal verändern.

4. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Versorgungsspannung analog ist.

5. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung umfaßt einen Oszillator (22) zum Erzeugen eines Taktsignals, einen Zähler (24) zum Zählen der Impulse des Taktsignals, und einen Dekoder (26) zum Decodieren eines Ausgangssignals des Zählers in ein Impulssignal zum Starten der Impulszirkulationsoperation der Impulszirkulierschaltung und in ein Impulssignal zum Aktivieren der Zirkulationspositionserfassungsvorrichtung.

6. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Sensorelement (28) zum Erzeugen einer Spannung, die sich in Übereinstimmung mit einer Änderung einer physikalischen Größe ändert, wobei der Eingangsanschluß mit dem Sensorelement verbunden ist, um die durch das Sensorelement erzeugte Spannung zu empfangen.

7. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 6, weiterhin umfassend eine Impedanzwandlerschaltung, die zwischen das Sensorelement und den Eingangsanschluß geschaltet ist.

8. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 6, wobei das Sensorelement eine Brückenschaltung enthält.

9. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 6, wobei das Sensorelement ein Hallelement enthält.

10. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:

eine Eingangsspannungsauswahleinrichtung (36) zum Auswählen und Zuführen entweder eines analogen Spannungssignals oder eines vorbestimmten Bezugsspannungssignals zu dem Eingangsanschluß;

eine Speichervorrichtung (40) zum Speichern der A/D- Umwandlungsergebnisdaten, wenn das Bezugsspannungssignal dem Eingangsanschluß durch die Eingangsspannungsauswahlvorrichtung zugeführt wird; und

einen Dividierer (44) zum Dividieren der A/D-Umwandlungsergebnisdaten, die beim Zuführen des analogen Spannungssignals zu dem Eingangsanschluß durch die Eingangsspannungsauswahlvorrichtung auftreten, durch die in der Speichervorrichtung gespeicherten A/D-Umwandlungsergebnisdaten, und zum Ausgeben von ein Ergebnis der Division repräsentierenden Daten als Daten eines abschließenden A/D-Umwandlungsergebnisses.

11. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung umfaßt einen Oszillator (56) mit variabler Frequenz zum Erzeugen eines Impulssignals mit variabler Frequenz, einen Zähler (58) zum Zählen der Impulse des Impulssignals mit variabler Frequenz und zum Ausgeben eines ein Zählergebnis repräsentierenden Signals, und eine Zeiteinstellvorrichtung (60) zum Bestimmen eines Zeitpunkts zum Starten der Impulszirkulationsoperation der Impulszirkulierschaltung und eines Zeitpunkts zum Aktivieren der Zirkulationspositionserfassungsvorrichtung im Ansprechen auf das Ausgangssignal des Zählers, wobei die A/D-Umwandlungsschaltung weiterhin umfaßt:

eine Eingangsspannungsauswahlvorrichtung (62) zum Auswählen und Zuführen entweder des analogen Spannungssignals, eines ersten vorbestimmten Bezugsspannungssignals, oder eines zweiten vorbestimmten Bezugsspannungssignals zu dem Eingangsanschluß;

eine erste Speichervorrichtung (66) zum Speichern der A/D- Umwandlungsergebnisdaten, wenn das erste Bezugsspannungssignal dem Eingangsanschluß durch die Eingangsspannungsauswahlvorrichtung zugeführt wird;

eine zweite Speichervorrichtung (68) zum Speichern der A/D- Umwandlungsergebnisdaten, wenn das zweite Bezugsspannungssignal dem Eingangsanschluß durch die Eingangsspannungsauswahlvorrichtung zugeführt wird;

eine Schwingungsfrequenzeinstellvorrichtung (76) zum Herleiten einer Differenz zwischen den in der ersten Speichervorrichtung gespeicherten Daten und den in der zweiten Speichervorrichtung gespeicherten Daten, und zum Einstellen einer Schwingungsfrequenz des Oszillators mit variabler Frequenz, so daß die Differenz zwischen den in der ersten Speichervorrichtung gespeicherten Daten und den in der zweiten Speichervorrichtung gespeicherten Daten mit einem vorbestimmten festen Wert in Übereinstimmung gebracht werden kann; und

eine Differenzberechnungsvorrichtung (64) zum Herleiten einer Differenz zwischen den A/D-Umwandlungsergebnisdaten und den in der ersten Speichervorrichtung gespeicherten Daten, wenn das analoge Spannungssignal dem Eingangsanschluß durch die Eingangsspannungsauswahlvorrichtung zugeführt wird, und zum Ausgeben von Daten der Differenz zwischen den A/D-Umwandlungsergebnisdaten und den in der ersten Speichervorrichtung gespeicherten Daten als Daten eines abschließenden A/D- Umwandlungsergebnisses.

12. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 11, wobei der Oszillator mit variabler Frequenz einen digital gesteuerten Oszillator aufweist.

13. A/D-Umwandlungsschaltung nach Anspruch 11, wobei das erste vorbestimmte Bezugsspannungssignal und das zweite vorbestimmte Bezugsspannungssignal einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Bereichs entsprechen, innerhalb dem sich das analoge Spannungssignal ändert.