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Die
Erfindung betrifft eine Komparatorschaltung nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Eine
Komparatorschaltung bildet eine analoge Eingangsspannung in ein
digitales Ausgangssignal ab. Hierzu wird eine analoge Eingangsspannung mit
einem Schwellwert verglichen. Der Wert des digitalen Ausgangssignals
ergibt sich in Abhängigkeit davon,
ob die analoge Eingangsspannung den Schwellwert über- oder unterschreitet.
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In
der Praxis, beispielsweise beim Einsatz einer Komparatorschaltung
in einem Sensorschaltkreis, ist jedoch die analoge Eingangsspannung
mit Störsignalen
und Rauschanteilen versehen. Diese unerwünschten Signalanteile bewirken
in der Regel ein Umschalten des digitalen Ausgangssignals, das dann
allerdings nicht mehr dem eigentlichen analogen Eingangssignal entspricht.
Insbesondere hochfrequente Störsignale
in der analogen Eingangsspannung bewirken ein häufiges Hin- und Herschalten
in der Komparatorschaltung und verfälschen das digitale Ausgangssignal.
Ein weiteres Problem besteht im thermischen Driften insbesondere
der Komparatorschaltung, wodurch die Genauigkeit der Abbildung der
analogen Eingangsspannung auf das digitale Ausgangssignal leidet.
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Um
die oben genannten Probleme zu vermeiden, ist es bekannt, eine Komparatorschaltung mit
einer Hysterese zu versehen. Eine derartige Komparatorschaltung
wird auch als Schmitt-Trigger bezeichnet. Ein Präzisions-Schmitt-Trigger ist
beispielsweise in Tietze/Schenk „Halbleiter-Schaltungstechnik”, 9. Auflage,
Berlin: Springer, 1990, auf Seite 185 beschrieben. Bei dieser Komparatorschaltung mit
zwei Schwellwerten werden zwei Komparatoren eingesetzt, deren digitale
Ausgangssignale zum Setzen und Zurücksetzen eines Flip-Flops verwendet werden.
Hierdurch lassen sich die Schwellwerte bzw. Umschaltpegel der Komparatorschaltung
besonders genau einstellen. Nachteilig an Komparatorschaltungen
mit Hysterese ist jedoch das technisch bedingte Auseinanderfallen
von Ein- und Ausschaltpunkt. Unter Ein- und Ausschaltpunkt wird
hierbei das Umschalten der Komparatorschaltung beim Überschreiten
eines ersten Schwellwertes (erste Hystereseschwelle) in einer ersten Änderungsrichtung
des analogen Eingangssignals bzw. Überschreiten eines zweiten
Schwellwertes (zweite Hystereseschwelle) in einer zweiten Änderungsrichtung
des analogen Eingangssignals verstanden. Um Störsignale im analogen Eingangssignal
ausfiltern zu können,
sollten die Ein- und Ausschaltpunkte der Hysterese soweit auseinander
liegen, dass Störsignale
kein Umschalten der Komparatorschaltung bewirken können. Mit
anderen Worten bestimmt die Größe der Hysterese
das Maß der
Störunterdrückung, allerdings
damit auch die Abweichung vom gewünschten Schwellenwert.
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Eine
Weiterentwicklung des Präzisions-Schmitt-Triggers
ist beispielsweise aus der
US 4,418,332 bekannt.
Der darin offenbarte Schmitt-Trigger ist eine Komparatorschaltung
mit einer verdeckten Hysterese. Dies wird durch einen ersten Komparator
ohne Hysterese und einen zweiten Komparator mit Hysterese erzielt.
Der zweite Komparator erzeugt ein Entriegelsignal für den ersten
Komparator. Hierdurch werden Abweichungen der Schaltpunkte bzw.
Umschaltpegel der Komparatorschaltung vom gewünschten Schwellwert der Komparatorschaltung
weitgehend vermieden, da der Ein- mit dem Ausschaltpunkt beim ersten
Komparator ohne Hysterese zusammenfällt. Der zweite Komparator verhindert
durch eine Sperrung bzw. Verriegelung ein Umschalten des digitalen
Ausgangssignals aufgrund von Störsignalen
im analogen Eingangssignal. Die hysteresebedingte Abweichung vom
gewünschten Schwellwert
wird zwar durch diese Komparatorschaltung mit verdeckter Hysterese
weitgehend vermieden, allerdings weist auch sie ein falsches Schaltverhalten
auf, nämlich
dann, wenn ein analoges Eingangssignal vorliegt, das gerade die
gewollte Schaltschwelle bzw. den Schwellwert, jedoch nicht die Hystereseschwelle
des zweiten Komparators erreicht. Zudem bleibt ein „falsches” digitales
Ausgangssignal auch bei nachfolgenden großen Differenzen zwischen analogem
Eingangssignal und gewollter Schaltschwelle erhalten. Die Wahrscheinlichkeit
hierfür
kann zwar durch sehr klein gewählte
Hysteresen verringert werden, dieser Zustand kann jedoch nicht vollständig vermieden
werden. Zudem wird bei sehr kleinen Hysteresen die Störanfälligkeit
gegenüber Störsignalen
erhöht.
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Die
DE 100 42 270 A1 beschreibt
eine Komparatorschaltung, mit der festgestellt werden kann, ob die
Einhüllende
einer Wechselspannung zwei Schwellenspannungen über-, bzw. unterschreitet. Aus
der
DE 39 26 617 A1 ist
eine adaptive Drehzahlmessvorrichtung mit einem Fensterkomparator
bekannt, der selbst nicht mit einer Taktfrequenz umgeschaltet wird.
Die
DE 197 10 576
A1 beschreibt eine Schaltung zur Umsetzung eines Nutzsignals
in ein Rechtecksignal, wobei eine Komparatorschaltung zum Einsatz
kommt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Komparatorschaltung vorzuschlagen,
welche die eingangs genannten Probleme im wesentlichen vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Komparatorschaltung mit den Merkmalen von
Anspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen,
Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, ein digitales
Ausgangssignal unbedingt bei Überschreiten
einer oberen Hystereseschwelle oder bei Unterschreiten einer unteren
Hystereseschwelle durch ein analoges Eingangssignal zu schalten.
Hierdurch werden die Vorteile einer Hysterese hinsichtlich Störsignalen
im analogen Eingangssignal mit der Präzision eines Komparators ohne Hysterese
derart kombiniert, dass eine Komparatorschaltung geschaffen wird,
die das analoge Eingangssignal präzise in ein digitales Ausgangssignal abbildet.
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Konkret
betrifft die Erfindung eine Komparatorschaltung, die ein analoges
Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal abbildet und einen
Schwellwert sowie eine obere und eine untere Hystereseschwelle aufweist.
Bei Überschreiten
der oberen oder unteren Hystereseschwelle durch das analoge Eingangssignal
wird mindestens ein Entriegelsignal gebildet, welches das Umschalten
des digitalen Ausgangssignals ermöglicht bei Überschreiten des Schwellwertes
durch das analoge Eingangssignal. Das digitale Ausgangssignal wird
nun, unabhängig vom
mindestens einem Entriegelsignal, bei Überschreiten der oberen oder
unteren Hystereseschwelle durch das analoge Eingangssignal umgeschaltet. Mit
anderen Worten wird also das digitale Ausgangssignal unbedingt bei Überschreiten
einer der Hystereseschwellen durch das analoge Eingangssignal geschaltet.
Dadurch wird ein „falsches” Schaltverhalten
vermieden, wenn das analoge Eingangssignal zwar den Schwellwert überschreitet,
jedoch nicht die entsprechende Hystereseschwellen erreicht. Dagegen
wird beim eingangs erläuterten
Stand der Technik aufgrund einfachen Entriegelung mittels eines Komparators
mit Hysterese ein Umschalten nur bei Überschreiten einer Hystereseschwelle
ermöglicht, wodurch
das digitale Ausgangssignal nur ungenau das analoge Eingangssignal
abbildet. Insbesondere wird bei der Erfindung bei großen Differenzen
zwischen dem analogen Eingangssignal und dem Schwellwert umgeschaltet.
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Nach
einer Umschaltung des digitalen Ausgangssignals kann in einer bevorzugten
Ausführungsform
der Komparatorschaltung unabhängig vom
mindestens einen Entriegelsignal eine darauffolgende Umschaltung
des digitalen Ausgangssignals erst wieder durch Überschreiten der oberen oder
der unteren Hystereseschwelle durch das analoge Eingangssignal erfolgen.
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Vorzugsweise
weist die Komparatorschaltung einen ersten Komparator für den Schwellwert, einen
zweiten Komparator für
die untere Hystereseschwelle und einen dritten Komparator für die obere Hystereseschwelle
auf. Für
jede Schwelle ist somit ein eigener Komparator vorgesehen. Hierdurch
können
die Schwellen unabhängig
voneinander und mit hoher Präzision
eingestellt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Komparatorausgangssignale des zweiten und dritten Komparators
von mindestens einer Logikschaltung derart verarbeitet, dass daraus
das mindestens eine Entriegelsignal erzeugt wird, das ein Umschalten
des digitalen Ausgangssignals ermöglicht.
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In
einer alternativen, schaltungstechnisch weniger aufwendigen Ausführungsform
kann die Komparatorschaltung einen ersten Komparator für den Schwellwert
und einen zweiten Komparator für die
untere und obere Hystereseschwelle aufweisen. Der dritte Komparator
entfällt
bei dieser Ausführungsform.
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Der
zweite Komparator wird hierbei vorzugsweise mit einer Taktfrequenz
umgeschaltet und das mindestens eine Entriegelsignal wird mittels
mindestens einer Logikschaltung erzeugt. Die Taktfrequenz kann derart
gewählt
sein, dass Störsignale
im analogen Eingangssignal durch das Umschalten des zweiten Komparators
weggefiltert werden. Typischerweise kann das mindestens eine Entriegelsignal
in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Taktzyklen der Taktfrequenz
erzeugt werden.
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Schließlich kann
in einer bevorzugten Ausführungsform
nach einer Umschaltung des digitalen Ausgangssignals eine weitere
Umschaltung erst wieder nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitdauer
von beispielsweise 10 μs
erfolgen. Diese Ausführungsform erweist
sich als vorteilhaft bei Störsignalen
mit einer kürzeren
Zeitdauer als die vorgebbare Zeitdauer. Diese wirken sich dann im
wesentlichen nicht mehr auf das digitale Ausgangssignal aus. Vorzugsweise wird
die vorgebbare Zeitdauer daher derart gewählt, dass sie länger ist
als die Zeitdauer von im analogen Eingangssignal enthaltenen Störsignalen.
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Die
Hystereseschwellen können
durch Spannungen gebildet sein, die an den Eingängen der Komparatorschaltung
anliegen. Bei einer derartigen Ausführungsform werden die Hystereseschwellen nicht
im Komparator selbst gebildet. Hierdurch ist es möglich, die
Hystereseschwellen einzustellen, indem die an den Eingängen der
Komparatorschaltung anliegenden Spannungen, welche die Hystereseschwellen
bilden, verändert
werden. Änderungen
der Hystereseschwellen sind dadurch ohne schaltungstechnische Veränderungen
möglich.
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Insbesondere
können
die Spannungen, welche die Hystereseschwellen bilden, von Stromquellen
erzeugt werden, die Ströme
in einen Spannungsteiler einprägen. Über den
Spannungsteiler werden dann die Spannungen eingestellt, die an den
Komparatoreingängen
zum Einstellen der Hystereseschwellen anliegen. Stromquellen können beispielsweise durch
Stromspiegel realisiert werden. Die Hystereseschwellen bildenden
Spannungen können
genau eingestellt werden, da der Ausgangsstrom der Stromquellen präzise justierbar
ist. Vor allem eignen sich Stromquellen und ein Spannungsteiler
für eine
Implementierung in einer integrierten Schaltung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform,
bei der die Hystereseschwellen durch Spannungen gebildet sind, umfasst
die Komparatorschaltung Komparatoren, die Null-Differenzspannungs-Detektoren sind.
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Vorzugsweise
wird die erfindungsgemäße Komparatorschaltung
in einer Sensorschaltung, beispielsweise in einer Hallsensor-Schaltung
eingesetzt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der Zeichnung näher dargestellt.
Es zeigen:
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1A ein
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung,
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1B ein
Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung,
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2 ein
Diagramm mit dem Verlauf eines analogen Eingangssignals, eines digitalen
Ausgangssignals der in 1A dargestellten Komparatorschaltung
und eines digitalen Ausgangssignals einer verbesserten Ausführungsform
der in 1A dargestellten Komparatorschaltung,
und
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3 ein
Ausführungsbeispiel
der Logikschaltung der in 1A dargestellten
Komparatorschaltung.
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Die
in 1A dargestellte Komparatorschaltung 10 bildet
ein analoges, differentielles Eingangssignal 12 in ein
digitales Ausgangssignal 14 ab. Hierzu weist die Komparatorschaltung 10 einen
ersten Komparator 30 auf, der das analoge Eingangssignal 12 mit
einem Schwellwert 16 vergleicht und abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs
das Komparatorausgangssignal 48 erzeugt. Ferner ist ein
zweiter Komparator 32 zum Vergleichen des analogen Eingangssignals 12 mit
einer unteren Hystereseschwelle 20 und ein dritter Komparator 34 zum
Vergleichen des analogen Eingangssignals 12 mit einer oberen Hystereseschwelle 18 vorgesehen.
Der zweite Komparator 32 und der dritte Komparator 34 liefert
jeweils ein Komparatorausgangssignal 36 bzw. 38,
die einer ersten, zweiten, dritten und vierten Logikschaltung 40, 42, 44 bzw. 46 zugeführt werden.
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Die
erste Logikschaltung 40 erzeugt ein erstes Entriegelsignal 22,
die zweite Logikschaltung 42 ein zweites Entriegelsignal 24,
die dritte Logikschaltung 44 ein drittes Entriegelsignal 26 und
die vierte Logikschaltung 46 ein viertes Entriegelsignal 28.
Die Entriegelsignale 22, 24, 26 und 28 werden
einer Ausgangslogik 50 zugeführt, die damit und mit dem
Komparatorausgangssignal 48 des ersten Komparators 30 das
digitale Ausgangssignal 14 erzeugt.
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Im
folgenden wird die Funktion der oben beschriebenen Komparatorschaltung 10 erläutert. Insbesondere
wird die Funktionsweise der Logikschaltungen 40, 42, 44 und 46 sowie
der Ausgangslogik 50 beschrieben. Die drei Komparatoren 30, 32,
und 34 erfassen das analoge Eingangssignal 12 jeweils
mit unterschiedlichen Schaltschwellen. Hierbei erfaßt der erste
Komparator 30 das analoge Eingangssignal 12 mit
einer mittlere Schaltschwelle Ref, die der Schwellwert 16 ist.
Die Hysterese-Komparatoren 32 und 34 erfassen
das analoge Eingangssignal 12 um den halben Betrag einer
Hysterese Hys gegenüber der
mittleren Schaltschwelle Ref versetzt, woraus die untere und obere
Hystereseschwelle 20 bzw. 18 wie folgt resultieren: –Hys/2 +
Ref bzw. +Hys/2 + Ref.
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Bei
großen
Signalhüben
des analogen Eingangssignals 12, durch welche die obere
oder untere Hystereseschwelle 18 bzw. 20 sicher überschritten wird,
werden Enable-Signale durch die zweite bzw. dritte Logikschaltung 42 bzw. 44 gesetzt,
die bewirken, dass die Ausgangslogik 50 das Durchschalten des
Komparatorausgangssignals 48 des ersten Komparators 30 in
die jeweilige Richtung ermöglichen (nach
logisch High, wenn vorher die untere Hystereseschwelle 20 bzw. –Hys/2 +
Ref überwunden
wurde und umgekehrt). In diesem Fall schaltet also der erste Komparator 30 direkt
das digitale Ausgangssignal 14 in Nulldurchgang bei Ref,
d. h. beim Schwellwert 16.
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Um
ein Hin- und Herschalten bei einem analogen Eingangssignal 12 mit überlagertem
Rauschen oder Störsignalen
zu vermeiden, wird ein Umschalten des digitalen Ausgangssignals 14 in
der Ausgangslogik 50 erst nach überschreiten der oberen oder
unteren Hystereseschwelle 18 bzw. 20 ermöglicht.
Die erfolgt dadurch, dass der zweite oder dritte Komparator 32 bzw. 34 ein
Signal über
die zweite bzw. dritte Logikschaltung 42 bzw. 44 setzt,
das als zweites bzw. drittes Entriegelsignal 24 bzw. 26 an
die Ausgangslogik 50 übertragen
wird. Das zweite Entriegelsignal 24 wird durch die zweite
Logikschaltung 42 logisch High bei einer positiven oder
steigenden Flanke des Komparatorausgangssignals 36 gesetzt. Es
wird auf logisch Low gesetzt, wenn das Komparatorausgangssignal 38 logisch
High ist. Das dritte Entriegelsignal 26 wird durch die
dritte Logikschaltung 44 logisch Low bei einer negativen
oder fallenden Flanke des Komparatorausgangssignals 38 gesetzt. Es
wird auf logisch High gesetzt, wenn das Komparatorausgangssignal 36 logisch
Low ist.
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Im
Falle eines zu kleinen analogen Eingangssignals 12 oder
eines Störsignals,
welche nur den Schwellwert 16 überschreiten, nicht jedoch
die in der jeweiligen Signalrichtung liegende Hystereseschwelle 18 bzw. 20,
kann der erste Komparator 30 in der Folge bei wieder fallenden
oder steigenden analogen Eingangssignal 12 in der Regel
nicht die zweite und dritte Logikschaltung 42 bzw. 44 zurückschalten,
da die hierfür
benötigten
Signale nicht vorliegen. Unterschreitet daher das analoge Eingangssignal 12 auch
die untere Hystereseschwelle 20 (= –Hys/2 + Ref), wird über die
vierte Logikschaltung 46 das vierte Entriegelsignal 28 auf
logisch Low gesetzt, wodurch die Ausgangslogik 50 das digitale
Ausgangssignal 14 auf logisch Low umschaltet. Überschreitet
das analoge Eingangssignal 12 die obere Hystereseschwelle 20 (= –Hys/2 +
Ref), ohne unmittelbar vorher die untere Hystereseschwelle 20 unterschritten
zu haben, wird über
die erste Logikschaltung 40 das erste Entriegelsignal 22 auf
logisch High gesetzt, wodurch die Ausgangslogik 50 das
digitale Ausgangssignal 14 auf logisch High umschaltet.
Damit wird das digitale Ausgangssignal 14 immer korrekt
geschalten. Es ist dadurch zwar etwas phasenversetzt gegenüber dem
analogen Eingangssignal 12, allerdings sind die Folgezustände richtig.
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Zusammenfassend
sind im folgenden die logischen Funktionen dargestellt, die durch
die Logikschaltungen 40, 42, 44 und 46 und
die Ausgangslogik 50 verwirklicht werden: Die erste Logikschaltung 40 setzt
das erste Entriegelsignal 22 auf logisch High, wenn das
zweite und dritte Komparatorausgangssignal 36 und 38 logisch
High sind, also das analoge Eingangssignal 12 die obere
Hystereseschwelle 18 überschritten
hat.
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Die
zweite Logikschaltung 42 setzt das zweite Entriegelsignal 24 auf
logisch High bei einer positiven oder steigenden Flanke des zweiten
Komparatorausgangssignals 36, also wenn die untere Hystereseschwelle 20 überschritten
ist. Es setzt das zweite Entriegelsignal 24 auf logisch
Low zurück,
wenn die obere Hystereseschwelle 18 überschritten ist, als das dritte
Komparatorausgangssignal 38 logisch High ist.
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Die
dritte Logikschaltung 44 setzt das dritte Entriegelsignal 26 auf
logisch Low bei einer negativen oder fallenden Flanke des dritten
Komparatorausgangssignals 38, also wenn die obere Hystereseschwelle 18 unterschritten
ist. Es setzt das dritte Entriegelsignal 26 auf logisch
High zurück,
wenn die untere Hystereseschwelle 20 überschritten ist, als das zweite
Komparatorausgangssignal 36 logisch Low ist.
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Die
vierte Logikschaltung 46 setzt das vierte Entriegelsignal 28 auf
logisch Low, wenn das zweite und dritte Komparatorausgangssignal 36 und 38 logisch
Low sind, also das analoge Eingangssignal 12 die untere
Hystereseschwelle 20 unterschritten hat.
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In
einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann die folgende
positive Flanke des analogen Eingangssignals 12 über den
dritten Komparator 34 erst wieder mit einem Signal größer als
die obere Hystereseschwelle 18 am Ausgang geschaltet werden.
Dies ermöglicht
in der Folge ein symmetrisches Schaltverhalten gegenüber dem
Schwellwert 16. Erst wenn beide Hystereseschwellen 18 und 20 betragsmäßig überschritten
wurden, kann der erste Komparator 30 wieder schalten, d.
h. sein Komparatorausgangssignal 48 wirkt direkt auf das
digitale Ausgangssignal 14. Um den ersten Komparator 30 vorher
zu sperren, kann beispielsweise ein zusätzliches RS-Flip-Flop gesetzt
werden, wenn ein beliebiges Force-Signal zum Ausgang der Komparatorschaltung 10 durchgeschaltet
wird. Dieses RS-Flip-Flop wird erst wieder zurückgesetzt, wenn das gegenteilige
Force-Signal erreicht wird.
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In 1B ist
eine Komparatorschaltung 10 dargestellt, die im wesentlichen
der in 1A dargestellten Komparatorschaltung
entspricht. Sie unterscheidet sich in der Art der Einstellung der
Hystereseschwellen. Diese werden bei der in 1B dargestellten
Komparatorschaltung 10 durch Spannungen eingestellt, die
an den positiven, nicht invertierenden Eingängen der Komparatoren 30, 32 und 34 anliegen.
Die Spannungen werden über
einen Spannungsteiler, der zwei gleiche Widerstände R umfasst, gebildet. Die
beiden in Serie geschalteten Widerstände R werden von zwei Stromquellen 18' und 20' mit einem vorgegebenen
Strom versorgt. Durch die von den Stromquellen 18' und 20' eingeprägten Ströme fallen
an den Widerständen
R Spannungen ab, die an den nicht invertierenden Eingängen der
Komparatoren 30, 32 und 34 anliegen und
die obere und untere Hystereseschwelle 18 bzw. 20 sowie
den Schwellwert 16 einstellen. Durch Einstellen der von
den Stromquellen 18' und 20' eingeprägten Ströme können diese
Spannungen verändert
werden. Damit lassen sich die Hystereseschwellen 18 und 20 sowie
der Schwellwert 16 ohne schaltungstechnische Änderungen
einstellen. Die Komparatoren 30, 32 und 34 sind bei
dieser Ausführungsform
Null-Differenzspannungs-Detektoren, welche die an ihren invertierenden
und nicht invertierenden Eingängen
anliegenden Differenzspannungen detektieren.
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In 2 ist
ein beispielhafter Signalverlauf eines analogen Eingangssignals 12 und
von mit der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung 10 daraus erzeugten
digitalen Ausgangssignale 14 und 54 dargestellt.
Das analoge Eingangssignal 12 überschreitet bei einem ersten Umschaltpunkt 56 den
Schwellwert 16, wodurch die digitalen Ausgangssignale 14 und 54 von
logisch Low auf High umgeschaltet werden. Nach Überschreiten der oberen Hystereseschwelle 18 durch
das analoge Eingangssignal 12 fällt dieses und unterschreitet
am zweiten Umschaltpunkt 58 den Schwellwert 16.
hierdurch werden die digitale Ausgangssignale 14 und 54 von
logisch High auf logisch Low zurückgeschaltet.
Sodann fällt
das analoge Eingangssignal 12 unter die untere Hystereseschwelle 20, überschreitet
diese um dann beim dritten Umschalpunkt 60 den Schwellwert 16 erneut zu überschreiten.
Hierdurch werden die digitalen Ausgangssignale 14 und 54 wieder
von logisch Low auf logisch High geschaltet. Nun fällt das
analoge Eingangssignal 12 vor Überschreiten der oberen Hystereseschwelle 18,
unterschreitet den Schwellwert 16 und darauf folgend die
untere Hystereseschwelle 20 am vierten Umschaltpunkt 62.
Dadurch werden die digitalen Ausgangssignale 14 und 54 wieder
von logisch High auf logisch Low zurückgeschaltet. Das analoge Eingangssignal 12 steigt
nun wieder bis es am fünften
Umschaltpunkt 64 den Schwellwert 16 überschreitet.
Dies bewirkt, dass das digitale Ausgangssignal 14 von logisch
Low auf logisch High umgeschaltet wird. Das digitale Ausgangssignal 54 bleibt
auf logisch Low, da es von einer nicht dargestellten Ausführungsform
der Komparatorschaltung 10 erzeugt wird, die symmetrisch
um den Schwellwert 16 schaltet. Am sechsten Umschaltpunkt 66 überschreitet
das analoge Eingangssignal 12 wiederum die obere Hystereseschwelle 18,
wodurch nun das digitale Ausgangssignal 54 von logisch
Low auf logisch High umgeschaltet wird. Anschließend fällt analoge Eingangssignal 12 unter
die obere Hystereseschwelle 18 und unterschreitet am siebten
Umschaltpunkt 68 den Schwellwert 16. Dies bewirkt, dass
beide digitale Ausgangssignale 14 und 54 wieder
von logisch High auf logisch Low zurückgeschaltet werden. Anhand
dieses Signalverlaufs des analogen Eingangssignals 12 und
der digitalen Ausgangssignale 14 und 54 kann insbesondere
am vierten, fünften
und sechsten Umschaltpunkt 62, 64 bzw. 66 nachvollzogen
werden, dass im Gegensatz zu den herkömmlichen, aus dem Stand der
Technik bekannten Komparatorschaltungen die digitalen Ausgangssignale 14 und 54 die
richtigen Zustände
aufweisen. Der Verlauf des analogen Eingangssignals 12 an
diesen Umschaltpunkten würde
nämlich
bei herkömmlichen
Komparatorschaltungen kein Umschalten des digitalen Ausgangssignals
von logisch High auf logisch Low bewirken. Hierdurch würde das
digitale Ausgangssignal einen falschen Zustand enthalten.
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3 zeigt
eine konkrete Implementierung der Logikschaltungen der Komparatorschaltung 10 von 1A,
die durch die Logikblöcke 40, 42, 44, 46 und 50 gebildet
sind.
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Die
in 3 dargestellte Logikschaltung empfängt unter
anderem als Eingangssignale die Komparatorausgangssignale 36, 38 und 48.
Die Komparatorausgangssignale 36 und 38 werden
jeweils einem 2-Phasen-Taktgenerator 106 bzw. 100 zugeführt, der
daraus einen nicht überlappenden Master-Slave-Takt
erzeugt, mit dem jeweils ein Flip-Flop 108 bzw. 102 getaktet
wird.
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Die
Eingänge
der Flip-Flops 102 und 108 sind mit logisch High,
beispielsweise der Betriebsspannung VDD der Komparatorschaltung 10,
beschaltet. Das Flip-Flop 102 erzeugt das dritte Entriegelsignal 26 bei
einer fallenden Flanke des Komparatorausgangssignals 38 des
dritten Komparators 34, also wenn die obere Hystereseschwelle 18 unterschritten
ist. Das Flip-Flop 108 erzeugt bei einer fallenden Flanke
des Komparatorausgangssignals 36 des zweiten Komparators 32 das
zweite Entriegelsignal 24, also wenn die untere Hystereseschwelle 20 unterschritten
ist.
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Das
Flip-Flop 102 wird zurückgesetzt,
wenn das Komparatorausgangssignal 36 logisch Low wird. Hierzu
ist der Rücksetz-Eingang
des Flip-Flops 102 als invertierender Eingang ausgebildet.
Entsprechend wird das Flip-Flop 108 zurückgesetzt, wenn das Komparatorausgangssignal 38 logisch
High wird. Auch der Rücksetz-Eingang
des Flip-Flops 108 ist als invertierender Eingang ausgebildet.
Konkret wird das Rücksetzsignal
für das
Flip-Flop 102 über
ein AND-Gatter 104 aus dem Komparatorausgangssignal 36 und
einem rq-Signal 152, das ein zentrales Rücksetzsignal
der Komparatorschaltung 10 ist, gebildet. Das Rücksetzsignal
für das
Flip-Flop 108 wird ebenfalls über ein AND-Gatter 110 aus
dem rq-Signal 152 und dem mittels eines Inverters 112 invertierten Komparatorausgangssignals 38 gebildet.
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Das
Komparatorausgangssignal 48 des ersten Komparators 30 für den Schwellwert 16 wird
jeweils über
ein AND-Gatter 118 bzw. 120 mit dem dritten bzw.
zweiten Entriegelsignal 26 bzw. 24 und einem zentralen
Sperrsignal 52 logisch verknüpft. Vor der Verknüpfung mittels
des AND-Gatter 118 wird das Komparatorausgangssignal 48 mittels
eines Inverters 116 invertiert. Ebenso wird das Sperrsignal 52 mittels
eines Inverters 134 vor der Verknüpfung mit den Entriegelsignalen 24 und 26 sowie
dem Komparatorausgangssignal 48 invertiert.
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Das
Ausgangssignal des AND-Gatters 118 wird einem NOR-Gatter 128 zugeführt, welches
das zugeführte
Signal mit dem Ausgangssignals eines NOR-Gatters 124 und
dem Ausgangssignal eines AND-Gatters 126 logisch verknüpft. Das
AND-Gatter 126 wiederum verknüpft das mittels eines Inverters 114 invertierte
Komparatorausgangssignal 36 mit einem Ausgangssignal eines
NAND-Gatters 142. Das NAND-Gatter 142 wiederum
verknüpft
ein Uncal-Signal 146 mit einem mittels eines Inverters 144 invertierten
Fused-Signal 148.
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Das
Ausgangssignal des AND-Gatters 120 wird dem NOR-Gatter 124 zugeführt, das
es mit dem digitalen Ausgangssignal 14 der Komparatorschaltung 10 und
dem Ausgangssignal eines AND-Gatters 122 verknüpft. Das
AND-Gatter 122 wiederum verknüpft das Komparatorausgangssignal 38 mit
dem Ausgangssignal des bereits oben erläuterten NAND-Gatters 142.
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Schließlich wird
das Ausgangssignal des NOR-Gatters 128 einem AND-Gatter 130 zugeführt, das
es mit dem Ausgangssignal eines RS-Flip-Flops 132 logisch
verknüpft.
Dem RS-Flip-Flop 132 wird das Sperrsignal 52 sowie
das mittels eines Inverters 136 invertierte Ausgangssignal
eines NAND-Gatters 138 als Eingangssignal zugeführt. Das
NAND-Gatter 138 wiederum verknüpft das zentrale Rücksetzsignal 152 mit
dem Ausgangssignal eines OR-Gatters 140, das wiederum das
Fused-Signal 148 und
ein rq_u_wdrq-Signal 150 logisch verknüpft.
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Im
folgenden soll noch kurz die Zuordnung von einzelnen Elementen von 3 zu
den Logikblöcken
in 1A erläutert
werden: Die Ausgangslogik 50 wird im wesentlichen durch
die Elemente 118, 120, 122, 124, 126 und 128 in 3 gebildet.
Die zweite Logikschaltung 42 wird im wesentlichen durch die
Elemente 106, 108, 110 und 112 in 3 gebildet.
Die dritte Logikschaltung 44 wird im wesentlichen durch
die Elemente 100, 102 und 104 in 3 gebildet.
Schließlich
bilden die Elemente 130, 132, 136, 138, 140, 142 und 144 in 3 eine
Rücksetz- und
Sperrlogik, die zum Steuern der in 3 dargestellten
Logikschaltung dient.
-
- 10
- Komparatorschaltung
- 12
- analoges
Eingangssignal
- 14
- digitales
Ausgangssignal
- 16
- Schwellwert
- 18
- obere
Hystereseschwelle
- 20
- untere
Hystereseschwelle
- 18'
- Stromquelle
- 20'
- Stromquelle
- 22
- erstes
Entriegelsignal
- 24
- zweites
Entriegelsignal
- 26
- drittes
Entriegelsignal
- 28
- viertes
Entriegelsignal
- 30
- erster
Komparator
- 32
- zweiter
Komparator
- 34
- dritter
Komparator
- 36
- Komparatorausgangssignal
- 38
- Komparatorausgangssignal
- 40
- erste
Logikschaltung
- 42
- zweite
Logikschaltung
- 44
- dritte
Logikschaltung
- 46
- vierte
Logikschaltung
- 48
- Komparatorausgangssignal
- 50
- Ausgangslogik
- 52
- Sperrsignal
- 54
- digitales
Ausgangssignal
- 56
- erster
Umschaltpunkt
- 58
- zweiter
Umschaltpunkt
- 60
- dritter
Umschaltpunkt
- 62
- vierter
Umschaltpunkt
- 64
- fünfter Umschaltpunkt
- 66
- sechster
Umschaltpunkt
- 68
- siebter
Umschaltpunkt
- 100
- 2-Phasen-Taktgenerator
- 102
- Flip-Flop
- 104
- UND-Gatter
- 106
- 2-Phasen-Taktgenerator
- 108
- Flip-Flop
- 110
- UND-Gatter
- 112
- Inverter
- 114
- Inverter
- 116
- Inverter
- 118
- UND-Gatter
- 120
- UND-Gatter
- 122
- UND-Gatter
- 124
- NOR-Gatter
- 126
- AND-Gatter
- 128
- NOR-Gatter
- 130
- AND-Gatter
- 132
- RS-Flip-Flop
- 134
- Inverter
- 136
- Inverter
- 138
- NAND-Gatter
- 140
- OR-Gatter
- 142
- NAND-Gatter
- 144
- Inverter
- 146
- uncal-Signal
- 148
- fused-Signal
- 150
- rq_u_wdrq-Signal
- 152
- rq-Signal
- R
- Widerstand