DE19912766A1 - Schaltungsanordnung mit A/D-Wandler für sicherheitskritische Anwendungen - Google Patents
Schaltungsanordnung mit A/D-Wandler für sicherheitskritische AnwendungenInfo
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Abstract
Es wird eine Schaltungsanordnung mit A/D-Wandler für sicherheitskritische Anwendungen beschrieben, die sich insbesondere auszeichnet durch einen Rampensignalgenerator (11) zur Erzeugung einer dem Eingang des A/D-Wandlers (10) zugeführten Rampenspannung, sowie eine Testschaltung (12) zur Aktivierung eines Testzyklus, der einen ersten Durchlauf der Rampe umfaßt, mit dem eine Referenzmessung des Rampensignalgenerators zur Kompensation von Bauelement-Toleranzen durchgeführt wird, sowie einen zweiten Durchlauf der Rampe beinhaltet, bei dem ein Fehlersignal (F) ausgegeben wird, wenn der für eine Übertragungskenngröße des A/D-Wandlers berechnete Wert außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches des gemessenen Wertes der Übertragungskenngröße liegt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem
A/D-Wandler insbesondere für sicherheitskritische Anwendun
gen.
Bei Schaltungen für sicherheitskritische Anwendungen und
Systeme ist die Zuverlässigkeit und ein fehlerfreier Be
trieb von besonderer Bedeutung. Insbesondere ist sicher
zustellen, daß im Falle einer Fehlfunktion einer Komponente
das Gesamtsystem nicht gefährdet wird. Um dieses Ziel zu
erreichen, ist es notwendig, Fehler in der betreffenden
Komponente zu erkennen und geeignete Maßnahmen zu er
greifen.
Eine solche, auf fehlerfreien Betrieb zu überwachende Kom
ponente ist zum Beispiel ein A/D (Analog/Digital)-Wandler.
Es ist bekannt, zwei identische A/D-Wandler parallel zu be
treiben, die Ausgangssignale beider Wandler auf Gleichheit
zu überwachen und eine Fehlermeldung zu erzeugen, wenn die
Gleichheit - unter Berücksichtigung der üblichen Wandler
toleranzen - nicht mehr gegeben ist. Da ein A/D-Wandler
insbesondere bei höheren Ansprüchen an Geschwindigkeit und
Genauigkeit jedoch relativ aufwendig in der Realisierung
ist, wird diese Lösung aus Kostengründen im allgemeinen als
nachteilig angesehen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung mit einem A/D-wandler zu schaffen, bei
der die für sicherheitskritische Anwendungen erforderliche
Überwachung der Funktion des A/D-Wandlers mit geringerem
Schaltungsaufwand möglich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einer Schal
tungsanordnung der eingangs genannten Art, die sich
auszeichnet durch einen Rampensignalgenerator zur Erzeugung
einer dem Eingang des A/D-Wandlers zugeführten Rampenspan
nung, sowie eine Testschaltung zur Aktivierung eines
Testzyklus', der einen ersten Durchlauf der Rampe umfaßt,
mit dem eine Referenzmessung des Rampensignalgenerators zur
Kompensation von Bauelement-Toleranzen durchgeführt wird,
sowie einen zweiten Durchlauf der Rampe beinhaltet, bei dem
eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn der für eine Über
tragungskenngröße des A/D-Wandlers berechnete Wert außer
halb eines vorgegebenen Toleranzbereiches des gemessenen
Wertes der Übertragungskenngröße liegt.
Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß
durch die Referenzmessung im ersten Durchlauf und die
dadurch mögliche Kompensation verschiedener Toleranzen des
Rampensignalgenerators dessen Schaltungsaufwand relativ
gering gehalten werden kann.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung zum Inhalt. Danach kann die Übertragungskenngröße
eine Ausgangsspannung oder eine Anzahl von Abtastungen
sein.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevor
zugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schal
tungsanordnung mit einem A/D-Wandler;
Fig. 2 ein Rampensignal zum Ansteuern eines A/D-Wandlers;
Fig. 3 ein Zustandsübergangsdiagramm zur Verdeutlichung des
erfindungsgemäßen Betriebs eines A/D-Wandlers;
Fig. 4 ein Flußdiagramm eines ersten Teils eines ersten,
zweiten und dritten erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5 ein Flußdiagramm eines zweiten Teils des ersten er
findungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 6 ein Flußdiagramm eines zweiten Teils des zweiten er
findungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schal
tungsanordnung.
Ein wesentlicher Kern der erfindungsgemäßen Lösung besteht
darin, einen A/D-Wandler im laufenden Normalbetrieb ständig
im Hinblick auf seine Funktionsfähigkeit zu überwachen. Zu
diesem Zweck kommen bis zu vier Kriterien zur Anwendung.
Dies sind zum einen die Einhaltung der Toleranzen der sta
tischen Genauigkeit. Hierzu gehören Offsetfehler, Ver
stärkungsfehler, integrale und differentielle Linearitäts
fehler, sowie Quantisierungsfehler und Rauschen. Diese
Größen werden zu der sogenannten totalen Umsetzgenauigkeit
zusammengefaßt.
Als zweites Kriterium dient eine Prüfung auf Taktausfall.
Das dritte Kriterium besteht in dem zeitlichen Verhalten
des A/D-Wandlers, und zwar im Hinblick auf die Lage der Ab
tastfrequenz innerhalb eines zulässigen Toleranzbereiches,
sowie im Hinblick auf eine korrekte Ermittlung der Abtast
werte im Normalbetrieb.
Das vierte Kriterium dient einer Überwachung der Referen
zspannung des A/D-wandlers.
Ein Prinzipschaltbild einer entsprechenden erfindungs
gemäßen Schaltungsanordnung ist in Fig. 1 gezeigt. Mit dem
Eingang eines zu überwachenden A/D-Wandlers 10 ist ein
Rampensignalgenerator 11 verbunden. Am Ausgang des A/D-
Wandlers 10 liegt eine Testschaltung an. Der A/D-Wandler 10
setzt die an seinem Eingang anliegende analoge Rampenspan
nung uin, die in Fig. 2 dargestellt ist, in eine digitale
Ausgangsspannung uout um, die mit der Testschaltung 12 aus
gewertet wird. Die Testschaltung wird dabei von dem Abtast
signal fs des A/D-Wandlers getriggert und erzeugt ein
Entladesignal E für den betreffenden Kondensator des Ramp
ensignalgenerators.
Die Steigung m der in Fig. 2 gezeigten Rampenspannung er
gibt sich aus dem Strom I der Referenzstromquelle und der
Kapazität C des Kondensators zu m = I/C. Aus den Toleranzen
der Bauelemente ergibt sich eine minimale Rampensteigung
mmin = Imin/Cmax und eine maximale Rampensteigerung mmax =
Imax/Cmin. Außerdem gilt m = (umax * fs)/c1, wobei umax
die maximale Rampenspannung und c1 der Zählerstand beim Er
reichen von umax ist. Weiterhin gilt m = (uDelta * fs)/1
= uLSB/tDelta, wobei uDelta die Spannungsänderung pro Ab
tastung und tDelta die Zeit ist, die zur Änderung der Span
nung um 1 LSB benötigt wird. Diese Zusammenhänge sind auch
in Fig. 2 eingetragen, wobei die Darstellung allerdings
nicht maßstabsgetreu ist.
Das Grundprinzip bei der erfindungsgemäßen Lösung besteht
darin, die Rampenspannung uin am Eingang des A/D-Wandlers
10 zwei Mal durchlaufen zu lassen und verschiedene Messun
gen bezüglich der Ausgangssignale uout vorzunehmen. Mit dem
ersten Durchlauf wird die Zeitdauer gemessen, die der Ramp
ensignalgenerator 11 benötigt, um die Rampenspannung von
einer negativen Referenzspannung -URef bzw. dem Wert Null
(Masse) bis zum Rampenanschlag, das heißt maximal bis zur
positiven Referenzspannung +URef bzw. umax zu erhöhen.
Diese Zeitdauer wird als Vielfaches der Abtastzeit des A/D-
Wandlers erfaßt.
Diese Messung dient zur Eliminierung von verschiedenen Tol
eranzen des Rampensignalgenerators 11 aus den Ergebnissen
des zweiten Durchlaufs.
Im einzelnen sind dies Toleranzen der Referenzspannung URef
des A/D-wandlers, des Endwertes umax der Rampe (sofern umax
< < URef ist), sowie eine Veränderung der durch die Toleran
zen des Stroms I der Referenzstromquelle sowie der Ka
pazität C des Kondensators bewirkten Rampensteigung. Durch
die Kompensation dieser Toleranzen kann im übrigen der
Schaltungsaufwand für den Rampengenerator in akzeptablen
Grenzen gehalten werden.
In einem zweiten Durchlauf wird nun geprüft, ob ver
schiedene Übertragungskenngrößen des A/D-Wandlers im spezi
fizierten Toleranzbereich liegen. Für diesen Durchlauf wer
den drei verschiedene Verfahren beschrieben, von denen in
Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit und Zuverläs
sigkeit eines oder mehrere durchgeführt werden können.
Diese beiden Durchläufe werden durch das in Fig. 3
dargestellte Grundgerüst eines Zustandsübergangsdiagramms
der Testschaltung 12 verdeutlicht.
Der erste Durchlauf beginnt mit einer Initialisierung (I),
mit der der Kondensator des Rampensignalgenerators mit dem
Entladesignal E (Fig. 1) entladen und ein erster Zähler
zurückgesetzt wird. Während anschließend die Rampenspannung
hochfährt, zählt ein erster Zähler die Abtastsignale. Falls
nach einer bestimmten Zeit (Erreichen eines maximalen
Zählerstandes c1max) kein Rampenanschlag festgestellt wird,
wird ein Fehlersignal F erzeugt. Wenn ein Rampenanschlag
erkannt wird, geht die Testschaltung in den Setup-Zustand
(S) über. Zum Abschluß dieses ersten Durchlaufs wird nun
noch überprüft, ob die erreichte maximale Rampenspannung
umax innerhalb eines spezifizierten Toleranzbereiches
("full scale error") liegt. Wenn dies nicht der Fall ist,
wird das Fehlersignal F erzeugt.
Wenn keines der genannten Fehlersignale f erzeugt wurde,
werden je nach dem gewählten Verfahren uDelta bzw. tDelta
berechnet sowie der Kondensator des Rampensignalgenerators
erneut entladen und - sofern der A/D-Wandler eine
Berechnungszeit (Latenzzeit) von einer Abtastzeit besitzt
ein Wartezustand (W) eingelegt.
In dem nun folgenden zweiten Durchlauf (M) werden wahlweise
eines oder mehrere der oben genannten drei Verfahren durch
geführt, wobei mit dem ersten und zweiten Verfahren zu be
stimmten Zeitpunkten Spannungen geprüft werden, während mit
dem dritten Verfahren zu bestimmten Spannungsänderungen
Zeiten erfaßt werden. Wenn diese Spannungen bzw. Zeiten
außerhalb der Toleranzbereiche liegen, wird das Fehlersig
nal erzeugt. Andernfalls wird bei Erfassung des
Rampenanschlages die Messung als fehlerfrei beendet und die
nächste Messung initialisiert (I).
Fig. 4 zeigt das Flußdiagramm des Ablaufes der Zustände I
(Initialisierung) und T (Zeitmessung), die mit der Test
schaltung durchgeführt werden und die für alle drei Ver
fahren gleich sind.
Die Initialisierung I beginnt mit einem Schritt S1 mit der
Erzeugung des Entladesignals E für den Kondensator C des
Rampensignalgenerators. Anschließend wird mit einem Schritt
S2 der Stand c1 eines erster Zähler zurückgesetzt, und zwar
auf einen Wert von -2, wodurch Verzögerungen durch den Al
gorithmus und die Berechnungszeit des A/D-Wandlers
(Latentzzeit) kompensiert werden. Außerdem wird mit einem
Schritt S3 der Stand c2 eines zweiten Zählers auf Null ge
setzt.
Die anschließende Zeitmessung (T) verläuft in zwei
Schleifen und beginnt mit einem Nullsetzen des Entladesig
nals E mit einem Schritt S4. Außerdem wird gemäß Schritt S5
der Stand c1 des ersten Zählers, mit dem die Anzahl von Ab
tastungen bis zum Erreichen des, Rampenanschlages gezählt
wird, um den Wert 1 erhöht und gemäß Schritt S6 die Aus
gangsspannung uout des A/D-Wandlers als Wert uold
gespeichert. Anschließend wird mit einem Schritt S7 abge
fragt, ob der neue Wert uout der Ausgangsspannung gleich
dem alten Wert uold ist. Wenn diese Abfrage mit "nein" zu
beantworten ist, wird gemäß Schritt S8 der Stand c2 des
zweiten Zählers auf Null gesetzt und gemäß Schritt S9 abge
fragt, ob der Stand c1 des ersten Zählers seinen Maxi
malwert c1max erreicht hat. Wenn dies nicht der Fall ist,
wird dieser Ablauf beginnend mit dem Schritt S4 wiederholt,
da sich einerseits die Ausgangsspannung uout mit jeder Ab
tastung noch ändert und andererseits die zum Erreichen des
Rampenanschlages erforderliche Anzahl von Abtastungen c1max
noch nicht erreicht ist.
Wenn hingegen die Abfrage gemäß Schritt S9 mit "ja" be
antwortet wird, das heißt wenn die auch für den ungünstig
sten Fall erforderliche, maximale Anzahl c1max von Abtas
tungen erreicht ist, bei der der Rampenanschlag bei fehler
freiem A/D-Wandler garantiert erreicht sein müßte, wird
gemäß Schritt S10 eine Fehlermeldung aufgrund eines Nich
terreichens des Rampenanschlags erzeugt, und der Ablauf
wird, beginnend mit der Initialisierung (I), wiederholt.
Sobald sich die Ausgangsspannung uout des A/D-Wandlers
gegenüber der vorherigen Abtastung nicht mehr ändert und
somit die Abfrage in Schritt S7 mit "ja" zu beantworten
ist, wird mit Schritt S11 der Stand c2 des zweiten Zählers
um den Wert 1 erhöht und in Schritt S12 abgefragt, ob die
ser neue Zählerstand gleich dem Wert von tDelta-max, das
heißt der Anzahl von Abtastungen ist, bei der im ungünstig
sten Fall die Ausgangsspannung uout während des Anstiegs
der Rampenspannung garantiert um 1 LSB ansteigt. Wenn diese
Abfrage mit "nein" beantwortet wird, wird die Zeitmessung T
wiederholt und der Ablauf mit Schritt S4 fortgesetzt. Wenn
hingegen die Abfrage mit "ja" beantwortet wird, das heißt
der Rampenanschlag wurde erreicht, so geht der Testautomat
in den Zustand S ("setup") über.
Fig. 5 zeigt nun für das erste Verfahren den zweiten Teil
(Zustände S. W und M gemäß Fig. 3) des weiteren Ablaufs.
Der Setup-Zustand S beginnt mit der Abfrage in Schritt S13,
ob die gemessene Rampenanschlagspannung uout außerhalb des
Toleranzbereiches uFS liegt, wobei uFS der Ausgangswert des
A/D-Wandlers am Bereichsende ("full scale") ist. Wenn dies
der Fall ist, wird mit Schritt S14 ein Fehlersignal F auf
den Wert 1 gesetzt und der Ablauf mit der Initialisierung I
gemäß Fig. 4 wiederholt.
Wenn die Abfrage in Schritt S13 mit "nein" beantwortet
wird, wird mit Schritt S15 der Wert der maximalen Ausgang
sspannung umax auf den letzten Wert uold dieser Spannung
gesetzt und in Schritt 16 die mittlere Spannungsänderung
uDelta Pro Abtastung berechnet (uDelta = umax/c1).
Anschließend wird mit Schritt S17 der Kondensator des Ramp
ensignalgenerators durch Erzeugung des Entladesignals E = 1
entladen und mit Schritt S18 eine Vergleichsspannung uplus,
die als berechnete Spannung mit der zu messenden Spannung
zu vergleichen ist, auf Null gesetzt.
Der Testautomat nimmt dann den Wartezustand W ein und setzt
das Entladesignal E mit Schritt S19 für den Kondensator des
Rampensignalgenerators auf Null.
Anschließend werden in dem Meßzustand M die eigentlichen
Spannungsmessungen vorgenommen. Zu diesem Zweck wird mit
Schritt S20 zunächst die Vergleichsspannung uplus um den
Wert uDelta inkrementiert. In Schritt S21 wird dann abge
fragt, ob die Ausgangsspannung uout außerhalb des Toleran
zbereiches der Vergleichsspannung uplus liegt. Wenn dies
der Fall ist, wird mit Schritt S22 ein Fehlersignal F auf
den Wert 1 gesetzt und der Ablauf mit der Initialisierung I
gemäß Fig. 4 wiederholt.
Wenn die Abfrage im Schritt S21 mit "nein" beantwortet
wird, wird in Schritt S23 abgefragt, ob die Vergleichsspan
nung uplus innerhalb des Toleranzbereiches der maximalen
Ausgangsspannung umax liegt. Wenn diese Abfrage mit "ja"
beantwortet wird, wird gemäß Schritt S24 das Fehlersignal F
auf den Wert 0 gesetzt. In diesem Fall ist der
Rampenanschlag erreicht, und die Messung wird als fehler
frei abgeschlossen, da gemäß Schritt S21 die gemessene Aus
gangsspannung uout nicht außerhalb des Toleranzbereiches
der berechneten Vergleichsspannung uplus liegt. Der gesamte
Ablauf kann dann mit der Initialisierung I gemäß Fig. 4
wiederholt werden.
Wenn die Abfrage in Schritt S23 mit "nein" beantwortet
wird, ist der Rahmenanschlag noch nicht erreicht, und die
Spannungsmessung wird durch Rückkehr des Ablaufes zum Be
ginn des Zustands M wiederholt.
Bei den beiden Toleranzbereichen müssen alle Ungenauig
keiten des A/D-Wandlers geeignet berücksichtigt werden.
Fig. 6 zeigt für das oben genannte zweite Verfahren den
zweiten Teil des Ablaufs (Zustände S, W und M). Der wesen
tliche Unterschied besteht darin, daß im Gegensatz zu dem
ersten Verfahren in dem Setup-Zustand S anstelle von uDelta
nun tDelta ( = 1/uDelta), das heißt die Zeit, die zur
Änderung der Spannung um 1 LSB benötigt wird, berechnet
wird.
Diese Berechnung erfolgt durch eine Division oder eine
Schiebe-Operation um n Bit nach rechts, sofern als maximale
Rampenspannung umax die Referenzspannung URef des A/D-
Wandlers verwendet wird (in diesem Fall kann auf die Mes
sung von umax verzichtet werden, da diese bis auf den Tol
eranzbereich [full scale error] bereits bekannt ist).
Während der Messung (Zustand M) wird dann alle tDelta ge
prüft, ob die am A/D-Wandler gemessene Ausgangsspannung
uout im zulässigen Toleranzbereich liegt, wobei diese mit
einem Sollwert uplus verglichen wird, der alle tDelta um 1
LSB (bzw. Vielfache davon) inkrementiert wird. Alternativ
kann dieser Vergleich auch bei jeder Abtastung erfolgen.
Im einzelnen beginnt der Ablauf im Zustand S mit einer Ab
frage in Schritt S25, ob die Ausgangsspannung des A/D-
Wandlers außerhalb des Toleranzbereiches uFS liegt. Wenn
dies der Fall ist, wird mit Schritt S26 das Fehlersignal F
auf den Wert 1 gesetzt und der Ablauf durch Rückkehr zur
Initialisierung I fortgesetzt. wenn die Abfrage mit "nein"
beantwortet wird, wird mit Schritt S27 der Wert tDelta wie
oben angegeben berechnet. Anschließend wird mit Schritt S28
das Entladesignal E für den Kondensator des Rampensignal
generators auf den Wert 1 gesetzt, in Schritt S29 der Wert
der durch Berechnung ermittelten Vergleichsspannung uplus
auf den Wert 0, sowie in Schritt S30 der Stand c2 des
zweiten Zählers ebenfalls auf den Wert 0 gesetzt.
Während des anschließenden Wartezustands W wird mit Schritt
S31 das Entladesignal E für den Kondensator des Rampensig
nalgenerators auf den Wert 0 gesetzt.
In dem Meßzustand M wird nun die eigentliche Spannungsmes
sung durchgeführt. Zu diesem Zweck wird zunächst in Schritt
S32 abgefragt, ob der Stand c2 des zweiten Zählers der
Zeitdauer tDelta entspricht. Wenn dies nicht der Fall ist,
wird mit der durch Schritt S36 gebildeten Schleife der
Stand c2 solange um 1 inkrementiert, bis die Abfrage in
Schritt S32 mit "ja" beantwortet wird. In diesem Fall wird
dann der Zählerstand mit Schritt S33 auf den Wert 1 gesetzt
und mit Schritt S34 die Vergleichsspannung uplus um den
Wert 1 inkrementiert.
Anschließend folgt mit Schritt S35 eine Abfrage, ob die
Ausgangsspannung uout außerhalb des Toleranzbereiches der
Vergleichsspannung uplus liegt. Wenn dies der Fall ist,
wird mit Schritt S37 das Fehlersignal F auf den Wert 1 ge
setzt und der Ablauf durch Rückkehr zur Initialisierung I
(Fig. 4) wiederholt.
Wenn die Ausgangsspannung uout nicht außerhalb des Toleran
zbereiches der Vergleichsspannung uplus liegt, wird mit
Schritt S38 abgefragt, ob die Vergleichsspannung uplus in
nerhalb des Toleranzbereiches der Rampenanschlagspannung
uFS liegt. Wenn diese Abfrage mit "ja" beantwortet wird,
wird mit Schritt S39 das Fehlersignal F auf den Wert 0 ge
setzt und der Ablauf durch Rückkehr zur Initialisierung I
fortgesetzt. Im anderen Fall erfolgt ein Rücksprung zum An
fang des Meßzustands M.
Bei dem ersten und zweiten Verfahren findet durch das Auf
summieren von uDelta bzw. das Zählen von tDelta eine Fe
hlerfortpflanzung statt. Aus diesem Grund muß die
Berechnung von uDelta bzw. tDelta durch eine Division mit
hoher Genauigkeit, das heißt großer Wortbreite erfolgen.
Dies gilt auch für die Weiterverarbeitung.
Ein Vorteil des zweiten Verfahrens besteht darin, daß im
Vergleich zu dem ersten Verfahren auf einen Dividierer ver
zichtet werden kann. Ferner kann der Addierer auf eine ger
ingere Wortbreite ausgelegt sein.
Im Gegensatz zu dem beschriebenen ersten und zweiten Ver
fahren, bei denen zu bestimmten Zeitpunkten Spannungen ge
messen werden, werden bei dem dritten Verfahren zu bes
timmten Spannungsänderung Zeiten erfaßt und geprüft, ob
diese Zeiten innerhalb der Toleranzbereiche liegen. Zu die
sem Zweck wird mit Hilfe des gemessenen Standes c1 des er
sten Zählers sowie der maximalen Ausgangsspannung umax (bei
umax < < URef) in dem Setup-Zustand S die minimale und die
maximale Anzahl von Abtastungen berechnet, die zwischen
zwei Spannungsänderungen am Ausgang des A/D-Wandlers unter
Berücksichtigung aller Wandler-Ungenauigkeiten gerade noch
im tolerierbaren Bereich liegt.
Im Meßzustand M wird dabei nach jeder Spannungsänderung der
Zähler zurückgesetzt und so lange inkrementiert, bis am
Ausgang des A/D-Wandlers die nächste Spannungsänderung auf
tritt. Anschließend wird geprüft, ob der Zählerstand in
einem Bereich zwischen minimaler und maximaler Anzahl von
Abtastungen steht, der für diese Spannungsänderung toleri
erbar ist, und ob die differentielle Spannungsänderung im
zugelassenen Bereich liegt. Bei diesem dritten Verfahren
findet wegen des Rücksetzens des Zählers keine Fehler
fortpflanzung statt, so daß mit geringerer Wortbreite gear
beitet werden kann.
Andererseits ist bei diesem Verfahren zu berücksichtigen,
daß die Zeit zwischen zwei Spannungsänderungen als Viel
faches der Abtastzeit gemessen wird. Dies entspricht defi
nitionsgemäß nur einer Messung der differentiellen Nicht
linearität (DNL) in Gestalt einer relativen Messung
zwischen zwei Abtastwerten. Absolute Abweichungen von der
idealen Übertragungskennlinie, die durch die integrale
Nichtlinearität INL ausgedrückt werden, werden dabei nicht
erfaßt.
Die Aufsummierung der DHL von "...00" bis zum
Rampenanschlag bei "...FF" ergibt gerade die INL. Ent
sprechend muß nach jedem Spannungssprung am Ausgang des
A/D-Wandlers die Summe
tsum = tsum + c2 - tDelta (uout - uold)
gebildet werden. tsum darf sich bei einer INL von +/- 1 LSB
(z. B.) nur im Bereich von +/- tDelta bewegen. Dabei ist c2
die gemessene Zeit zwischen dem letzten und dem aktuellen
Spannungssprung als Ganzzahliges einer Abtastung. Idealer
weise erfolgt ein Sprung um +1 Bit alle tDelta. Bedingt
durch Rauschen können aber auch Sprünge um -1, +2 oder +3
Bit etc. erfolgen. Dies wird durch die Differenzbildung
(uout - uold) erfaßt. Wegen der Fehlerfortpflanzung muß bei
dieser Aufsummierung tDelta mit einer höheren Auflösung
(als bei dem zweiten Verfahren) ausgelegt werden.
Fig. 7 zeigt ein mögliches Blockschaltbild eines Testauto
maten 12 zur Durchführung des ersten Verfahrens. Die Schal
tung ist digitalisiert und umfaßt im wesentlichen ein
Steuerwerk 121, einen ersten und einen zweiten Zähler 122a,
122b, einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kom
parator 123a, 123b, 123c, einen Dividierer 124, einen Ad
dierer 125, einen ersten und einen zweiten Multiplexer
126a, 126b, sowie ein erstes bis viertes Register 127a,
127b, 127c, 127d.
Das Steuerwerk 121, an dem die Abtastfrequenz fs sowie eine
Taktfrequenz f'clk anliegt, erzeugt das Entladesignal E für
den Kondensator des Rampensignalgenerators, das Fehlersig
nal F sowie verschiedene weitere Steuer-, Rücksetz- und
Freigabesignale. An dem ersten Register 127a sowie einem
ersten Eingang des zweiten Multiplexer 126b liegt die Aus
gangsspannung uout des A/D-Wandlers an.
Der Ausgang des ersten Registers 127a ist als Spannungswert
uold mit einem ersten Eingang des ersten Multiplexers 126a,
dem Eingang des zweiten Registers 127b, sowie einem ersten
Eingang des Dividierers 124 verbunden. Der Ausgang des
zweiten Registers 127b liegt an einem zweiten Eingang des
zweiten Multiplexers 126b an. Die Ausgänge des ersten und
zweiten Multiplexers 126a, 126b sind mit jeweils einem Ein
gang des ersten Vergleichers 123a verbunden, mit dem die
Eingangssignale auf Gleichheit unter Berücksichtigung der
Toleranzbereiche verglichen werden. Der Ausgang des ersten
Vergleichers 123a ist mit dem Steuerwerk 121 verbunden.
Der Ausgang des ersten Zählers 122a ist als Zählerstand c1
mit einem zweiten Eingang des Dividierers 124 sowie einem
ersten Eingang des zweiten Vergleiches 123b verbunden. Der
Ausgang des zweiten Zählers 122b ist als Zählstand c2 mit
einem ersten Eingang des dritten Vergleichers 123c verbun
den. An einem zweiten Eingang des zweiten Vergleiches 123b
liegt der maximale Zählwert c1max an, während einem zweiten
Eingang des dritten Vergleiches 123c der Wert tdelta-max
zugeführt wird. Die Ausgänge des zweiten und dritten Ver
gleichers sind mit der Steuereinheit 121 verbunden.
Der Ausgang des Dividierers 124 liegt an dem Eingang des
dritten Registers 127c an, dessen Ausgang als Spannungswert
uDelta mit einem ersten Eingang des Addierers 125 verbunden
ist. Der Ausgang des Addierers 125 ist an den Eingang des
vierten Registers 127d geführt, dessen Ausgang als Span
nungswert uplus mit einem zweiten Eingang des Addierers 125
sowie einem zweiten Eingang des ersten Multiplexers 126a
verbunden ist. An einem dritten Eingang des ersten Multi
plexers 126a liegt schließlich der Spannungswert uFS an.
Da bei allen drei Verfahren die Übertragungskenngrößen des
A/D-Wandlers nur relativ zur Spannung am Rampenanschlag ge
messen werden, müssen sie um die Messung zweier Absolut
werte ergänzt werden, wobei einer davon die Offsetspannung
ist.
Der Testautomat kann zur Reduzierung des gesamten Schal
tungsaufwandes auch durch ein Rechnerprogramm realisiert
werden.
10 A/D-Wandler
11 Rampensignalgenerator
12 Testschaltung
121 Steuerwerk
122a, 122b erster bzw. zweiter Zähler
123a, 123b, 123c erster, zweiter bzw. dritter Komparator
124 Dividierer
125 Addierer
126a, 126b erster bzw. zweiter Multiplexer
127a, 127b, 127c, 127d erstes bis viertes Register
11 Rampensignalgenerator
12 Testschaltung
121 Steuerwerk
122a, 122b erster bzw. zweiter Zähler
123a, 123b, 123c erster, zweiter bzw. dritter Komparator
124 Dividierer
125 Addierer
126a, 126b erster bzw. zweiter Multiplexer
127a, 127b, 127c, 127d erstes bis viertes Register
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung mit A/D-Wandler für sicherheits
kritische Anwendungen,
gekennzeichnet durch einen Rampensignalgenerator (11)
zur Erzeugung einer dem Eingang des A/D-Wandlers (10)
zugeführten Rampenspannung, sowie eine Testschaltung
(12) zur Aktivierung eines Testzyklus', der einen er
sten Durchlauf der Rampe umfaßt, mit dem eine Refer
enzmessung des Rampensignalgenerators zur Kompensation
von Bauelement-Toleranzen durchgeführt wird, sowie
einen zweiten Durchlauf der Rampe beinhaltet, bei dem
ein Fehlersignal (F) ausgegeben wird, wenn der für
eine Übertragungskenngröße des A/D-Wandlers (10)
berechnete Wert außerhalb eines vorgegebenen Toleranz
bereiches des gemessenen Wertes der Übertragung
skenngröße liegt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten Durchlauf
der Rampe Toleranzen einer Referenzspannung (URef) des
A/D-Wandlers und der maximalen Rampenspannung (umax)
sowie der Steigung (m) der Rampenspannung des Rampen
signalgenerators kompensiert werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten Durchlauf
der Rampe die Zeit gemessen wird, die für einen
Rampendurchlauf erforderlich ist, wobei diese Zeit als
eine Anzahl (c1) von Abtastungen bis zum Erreichen der
maximalen Rampenspannung (umax) ermittelt wird.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskenngröße
die für eine oder eine Mehrzahl (n) von Abtastungen
berechnete Ausgangsspannung (uplus + n uDelta) ist und
das Fehlersignal (F) erzeugt wird, wenn diese außer
halb eines vorgegebenen Toleranzbereiches der bei die
sen Abtastungen gemessenen Ausgangsspannung (uout)
liegt.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß mit der Testschaltung die
zur Änderung der Ausgangsspannung um 1 LSB erforderli
che Zeitdauer (tDelta) berechnet und die Übertragung
skenngröße die für eine oder eine Mehrzahl (n) von
Zeitdauern (tDelta) berechnete Ausgangsspannung
(uplus) ist und das Fehlersignal (F) erzeugt wird,
wenn diese außerhalb eines vorgegebenen Toleran
zbereiches der zu den betreffenden Zeitpunkten (n
tDelta) gemessenen Ausgangsspannung (uout) liegt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskenngröße
die für eine Änderung der Ausgangsspannung (uout) um
ein oder eine Mehrzahl von LSBs erforderliche Anzahl
von Abtastungen ist und ein Fehlersignal (F) erzeugt
wird, wenn diese Anzahl außerhalb eines vorgegebenen
Toleranzbereiches der gezählten Anzahl von Abtastungen
liegt.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19912766A DE19912766A1 (de) | 1998-12-03 | 1999-03-22 | Schaltungsanordnung mit A/D-Wandler für sicherheitskritische Anwendungen |
JP2000586000A JP2002531986A (ja) | 1998-12-03 | 1999-11-29 | 安全上重要な用途のためのa/dコンバータを備えた回路装置 |
EP99961021A EP1135860B1 (de) | 1998-12-03 | 1999-11-29 | Verfahren zur Überwachung einer SCHALTUNGSANORDNUNG mit A/D-WANDLER FÜR SICHERHEITSKRITISCHE ANWENDUNGEN |
DE59904881T DE59904881D1 (de) | 1998-12-03 | 1999-11-29 | Verfahren zur Überwachung einer SCHALTUNGSANORDNUNG mit A/D-WANDLER FÜR SICHERHEITSKRITISCHE ANWENDUNGEN |
PCT/EP1999/009249 WO2000033465A1 (de) | 1998-12-03 | 1999-11-29 | Schaltungsanordnung zum testen eines a/d-wandlers für sicherheitskritische anwendungen |
US09/857,282 US6518900B1 (en) | 1998-12-03 | 1999-11-29 | Circuit configuration for testing and A/D converter for applications that are critical in terms of safety |
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DE19912766A DE19912766A1 (de) | 1998-12-03 | 1999-03-22 | Schaltungsanordnung mit A/D-Wandler für sicherheitskritische Anwendungen |
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DE19912766A Withdrawn DE19912766A1 (de) | 1998-12-03 | 1999-03-22 | Schaltungsanordnung mit A/D-Wandler für sicherheitskritische Anwendungen |
DE59904881T Expired - Lifetime DE59904881D1 (de) | 1998-12-03 | 1999-11-29 | Verfahren zur Überwachung einer SCHALTUNGSANORDNUNG mit A/D-WANDLER FÜR SICHERHEITSKRITISCHE ANWENDUNGEN |
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DE59904881T Expired - Lifetime DE59904881D1 (de) | 1998-12-03 | 1999-11-29 | Verfahren zur Überwachung einer SCHALTUNGSANORDNUNG mit A/D-WANDLER FÜR SICHERHEITSKRITISCHE ANWENDUNGEN |
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DE59904881D1 (de) | 2003-05-08 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8130 | Withdrawal |