Beschreibung
Verfahren zum A/D-Wandeln analoger Signale und entsprechende A/D-Wandleranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum A/D- Wandeln analoger Signale mit Hilfe eines A/D-Wandlers sowie eine entsprechende A/D-Wandleranordnung.
In komplexen Applikationen müssen unterschiedliche analoge Eingangssignale einem A/D-Wandler zugeführt und gewandelt werden. Eine A/D-Wandlung der einzelnen Eingangssignale kann dabei von unterschiedlichen Anforderungsquellen angefordert werden, wobei die Anforderungsquellen jeweils Anforderungs- Signale erzeugen, um auf diese Weise die A/D-Wandlung eines bestimmten Signalkanals bei dem A/D-Wandler anzufordern.
In Fig. 2 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bekannten A/D-Wandleranordnung dargestellt, wobei ein A/D-Wandler 6 von einem analogen Multiplexer 3 angesteuert wird. Der Multiplexer 3 dient zur Auswahl einer Vielzahl von analogen Signalen, die jeweils unterschiedlichen Signalkanälen 2 zugeordnet sind. Des weiteren ist eine Steuereinheit 8 vorgesehen, die abhängig von ihr zugeführten Steuerinformationen den Multi- plexer 3 derart ansteuert, daß ein bestimmter Signalkanal 2 ausgewählt und das entsprechende analoge Signal zur A/D- Wandlung dem A/D-Wandler 6 zugeführt wird. Nach der Wandlung eines Abtastwerts dieses analogen Signals wird das Ergebnis der A/D-Wandlung in einem Ergebnisregister 7 abgelegt. Durch die Steuereinheit 8 kann somit auch der Betriebsmodus der
A/D-Wandleranordnung derart festgelegt werden, daß neben einer Einzelkanalwandlung auch eine Autoscanwandlung durchgeführt werden kann, bei der alle Signalkanäle 2 nacheinander einmal gewandelt werden etc..
Bei herkömmlichen A/D-Wandleranordnungen sind Grundeinstellungen für den A/D-Wandler 6 vorgesehen, die beispielsweise
die Auflosung, die Abtast- bzw. Samplezeit oder auch die In- terruptgenerierung für die angeforderte Wandlung betreffen können. Diese Grundeinstellungen sind durch die interne Architektur des A/D-Wandlers 6 bzw. der A/D-Wandleranordnung fest vorgegeben. Eine beispielsweise softwaremaßige Veränderung dieser Grundemstellungen ist nicht möglich, so daß die Eigenschaften des A/D-Wandlers 6 auch nicht an die jeweilige Applikation angepaßt werden können, wodurch der Anwendungsbereich der gesamten A/D-Wandleranordnung eingeschränkt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum A/D-Wandeln analoger Signale und eine entsprechende A/D-Wandleranordnung vorzuschlagen, wodurch diesen Einschränkungen aufgehoben werden können und ein größere Fle- xibilitat erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. eine A/D- Wandleranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 19 gelost. Die Unteranspruche beschreiben jeweils bevorzugte Ausfuh- rungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Erfmdungsgemaß wird vorgeschlagen, bestimmte Einstellungen oder Betriebsparameter der A/D-Wandleranordnung m Abhangig- keit von dem jeweils zu wandelnden Signalkanal einzustellen. Bei den kanalspezifisch einstellbaren Betriebsparametern kann es sich insbesondere um Parameter des A/D-Wandlers handeln, so daß für jeden Signalkanal beispielsweise die Auflosung, die Abtastzeit, die Wandlungszelt, die Kalibrierungszelt oder der Meßbereich des A/D-Wandlers individuell eingestellt werden kann. Somit kann die Verarbeitung der einzelnen Signalka- nale bestmöglich an die Umgebung angepaßt und das Gesamtverhalten der A/D-Wandleranordnung optimiert werden.
Die Einstellung des A/D-Wandlers kann sowohl softwaremaßg, d.h. durch ein geeignetes Programm, als auch hardwaremaßig erfolgen.
Jedem Signalkanal können eigene kanalspezifische Einstellungen zugeordnet sein, die immer dann aktiv und zur Einstellung des A/D-Wandlers verwendet werden, wenn ein analoges Signal dieses Signalkanals gewandelt werden soll. Um die zu verwal¬ tende Datenmenge zu reduzieren, können die Kanäle auch in Gruppen zusammengefaßt werden, wobei sämtliche Kanäle einer Gruppe mit denselben Einstellungen verarbeitet werden. Bei Vorhandensein mehrerer Anforderungs- oder Triggerquellen, die jeweils Anforderungssignale für A/D-Wandlungen erzeugen, können auch diesen unterschiedliche Einstellungen zugeordnet sein, so daß alle Kanäle, für deren Signal eine A/D-Wandlung von demselben Anforderungsmittel angefordert wird, mit denselben Einstellungen verarbeitet werden.
Ein optimale Flexibilität ist insbesondere dann erzielbar, wenn die zuvor beschriebenen Prinzipien der Zuordnung der unterschiedlichen Einstellungen miteinander kombiniert werden. So kann es beispielsweise äußerst vorteilhaft sein, einen Ka- nal mit seinen kanalspezifischen Einstellungen zu betreiben, es sei denn, eine bestimmte Anforderungsquelle mit eigenen Einstellungen hat diese A/D-Wandlung angefordert. Den anfor- derungsquellenspezifischen Einstellungen wird somit bei der Auswahl der Einstellungen gegenüber den kanalspezifischen Emstellungenen Priorität eingeräumt.
Neben den zuvor beschriebenen Parametern des A/D-Wandlers können auch andere Betriebsparameter der A/D-Wandleranordnung eingestellt werden, die beispielsweise bestimmte digitale Funktionen der A/D-Wandleranordnung m Form von Reaktionen auf eine A/D-Wandlung betreffen, wodurch eine Reduzierung der CPU-Last erzielt werden kann. So können beispielsweise bestimmte Parameter der Interrupterzeugung, einer Grenzwerterkennung oder einer Kurzschluß- oder Leiterbrucherkennung ka- nalspezifisch eingestellt oder aktiviert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefugte Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausfuh- rungsbeispiels naher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer A/D-Wandleranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer bekannten A/D- Wandleranordnung .
Die in Fig. 1 gezeigte A/D-Wandleranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt als zentralen Bestandteil einen A/D- Wandler 6, dessen Aufgabe es ist, ein ihm zugefuhrtes analoges Signal abzustasten und zu wandeln. Der A/D-Wandler 6 kann beispielsweise nach dem Prinzip der "sukzessiven Approkimati- on und Ladungsumverteilng" aufgebaut sein. Ein gewandelter Abtastwert des jeweiligen analogen Signals wird m einem Ergebnisregister 7 gespeichert. Die von dem A/D-Wandler 6 zu verarbeitenden analogen Signale s nd mehreren Signalkanalen 2 zugeordnet, wobei jeweils ein zu verarbeitender Signalkanal 2 über einen externen analogen Multiplexer 3 ausgewählt und das analoge Signal des ausgewählten Signalkanals dem A/D-Wandler 6 zugeführt wird.
Die A/D-Wandleranordnung umfaßt mehrere A/D-Wandler-
Anforderungsquellen 1, die jeweils über Anforderungssignale 20 bestimmte zu wandelnde Signalkanale 2 anfordern können. Bei den Anforderungsquellen 1 kann es sich beispielsweise um eine programmierbare Zeitgebereinheit (Timer) handeln, die zeitlich gesteuert die Anforderungssignale 20 für den A/D- Wandler 6 erzeugt. Ebenso kann es sich um eine Hardware- Einrichtung handeln, die programmgesteuert die Anforderungssignale 20 erzeugt. Des weiteren kann eine Anforderungsquelle 1 auch durch eine Warteschlange (FIFO) realisiert sein, so daß von dieser Anforderungsquelle 1 für bestimmte Signalkanale 2 nacheinander entsprechend ihrer Position in der Warteschlange Anforderungssignale für eine A/D-Wandlung erzeugt
werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, daß es sich bei einer Anforderungsquelle 1 um eine Snychronisieremheit handelt, die synchron zu einem weiteren A/D-Wandler oder zu ei¬ nem externen Zeitgeber ein Anforderungssignal für eine A/D- Wandlung eines bestimmten Signalkanals 2 erzeugt. Schließlich kann eine Anforderungsquelle 1 auch ereigmsgetπggert ein Anforderungssignal 20 erzeugen. Selbstverständlich sind auch andere Arten von Anforderungsquellen 1 möglich.
Die einzelnen Anforderungssignale 20 der Anforderungsquellen 1 werden einer Steuereinheit 8 zugeführt, die davon abhangig gemäß einem bestimmten Schema den Multiplexer 3 zur Auswahl des jeweils zu wandelnden Signalkanals 2 ansteuert.
Der Steuereinheit 8 ist ein Emstellungsspeicher 13 zugeordnet, m dem für die einzelnen Signalkanale 2 kanalspezifische Einstellungen für bestimmte Betriebsparameter der A/D- Wandleranordnung gespeichert sind. Um den Datenumfang zu reduzieren, können die Signalkanale 2 auch m Gruppen zusammen- gefaßt sein, wobei für die einzelnen Gruppen unterschiedliche Einstellungen, d.h. für jede Anforderungsquelle eigene Einstellungen, abgespeichert sind. Ebenso können m diesem Emstellungsspeicher 13 anforderungsquellenspeziflsche Einstellungen für diese Betπebsparamter der A/D-Wandleranordnung gespeichert sein.
Die Steuereinheit 8 weist eine Emstellungspriorisierungslo- gik 9 auf, die abhangig von dem jeweils zu wandelnden Signalkanal 2 die diesem Signalkanal entsprechenden Einstellungen aus dem Emstellungsspeicher 13 ausliest. Dabei kann die
Priorisierungslogik derart ausgestaltet sein, daß sie den anforderungsquellenspezifischen Einstellungen Priorität gegenüber den eigentlichen kanalspezifischen Einstellungen derart zuweist, daß ein Signalianal nur dann mit den ihm eigenen ka- nalspezifischen Einstellungen betrieben wird, solange kein Anforderungssignal 20 einer Anforderungsquelle 1 vorliegt, für das m dem Speicher 13 anforderungsquellenspeziflsche
Einstellungen gespeichert sind. Liegt hingegen ein Anforde¬ rungssignal 20 einer derartigen Anforderungsquelle 1 vor, sorgt die Anforderungspriorisierungslogik 9 dafür, daß die dieser Anforderungsquelle 1 zugewiesenen Einstellungen ausge- lesen und zur Einstellung der einstellbaren Betriebsparameter der A/D-Wandleranordnung verwendet werden.
Eine Einstellungsemheit 12 ist m Abhängigkeit von den durch die Emstellungspriorisierungslogik 9 ausgelesenen Emstel- lungen für die tatsächliche Anpassung der verschiedenen Betriebsparameter der A/D-Wandleranordnung verantwortlich. So kann von der Einstellungsemheit 12 beispielsweise em Em- stellsignal 4 erzeugt werden, welches unmittelbar zu einer entsprechenden Einstellung verschiedener Parameter des A/D- Wandlers 6 fuhrt. Die auf diese Weise kanalspezifisch einstellbaren Parameter des A/D-Wandlers 6 können z.B. die Auflosung (8, 10 oder 12 Bit) oder die Abtastzeit des A/D- Wandlers 6 betreffen. Dies ist sinnvoll, da die Genauigkeit der von dem A/D-Wandler 6 zur A/D-Wandlung abgetasteten Span- nung durch die verfugbare Aufladezeit des jeweils verwendeten Sample-and-Hold-Gliedes sowie die Ausgangsimpedanz der Ana- logsignalquelle bestimmt wird. Ebenso können die Wandlungszeit (auch die den internen Komparatoren zur Verfugung stehende Zeit tragt zur Genauigkeit des A/D-Wandlers 6 bei), die Kalibrierungszeit (mit zunehmender Zeitspanne für die Kalibrierung nach einer A/D-Wandlung kann em genaueres Ergebnis der nächsten Wandlung erzielt werden) oder der Meßbereich, d.h. die obere und untere Meßbereichsgrenze, kanalspezifisch eingestellt werden. Ebenso kann z.B. kanalspezifisch die Re- ferenzspannung des A/D-Wandlers 6 ausgewählt werden. Selbstverständlich sind auch andere Wandlerparameter denkbar, die kanalspezifisch einstellbar sein können.
Neben den zuvor beschriebenen Einstellungen, die unmittelbar den A/D-Wandler 6 betreffen, sind jedoch auch andere Einstellungen enkbar, welche weitere Funktionen der A/D- Wandleranordnung betreffen, die kanalspezifisch aktiviert
oder deren Parameter kanalspezifisch eingestellt werden kön¬ nen. Dies erfolgt über em weiteres Emstell- oder Aktivierungssignal der Einstellungsemheit 12. Einige dieser mögli¬ chen (digitalen) Funktionen, welche jeweils von der Steuer- emheit 8 selbst wahrgenommen werden können, sollen nachfol¬ gend kurz erläutert werden.
Die in Fig. 1 gezeigte A/D-Wandleranordnung umfaßt eine programmierbare Interrupterzeugungseinrichtung 15. Je nach ge- wandeltem Signalkanal können unterschiedliche Aktionen notwendig sein. Die über das Einstellsignal 5 und die Einrichtung 15 realisierte einstellbare Interrupterzeugung erhöht die Emsatzmoglichkeiten der A/D-Wandleranordnung und ermöglicht die gezielte Einleitung kanalspeziflscher Aktionen mit einem minimalen Programmieraufwand.
Darüber hinaus ist gemäß Fig. 1 eine Funktion oder Einheit 14 zur Überwachung bestimmter Grenzwerte des jeweils zu wandelnden analogen Signals vorhanden. In vielen Applikationen ist es erforderlich, Analogwerte zu erfassen, aber nur bei Uber- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellen- oder Grenzwerts m Form einer Interrupterzeugung durch die Emπchutung 15 zu reagieren. Über das Einstellsignal 5 kann der jeweils zu überwachende obere und/oder untere Grenzwert kanalspezi- fisch programmiert werden, so daß insbesondere m Verbindung mit der intelligenten Interrupterzeugungseinrichtung 15 eine drastische Reduzierung der CPU-Last erzielt werden kann. Für jeden Signalkanal 2 können m dem Speicher 13 unterschiedliche Grenzwerte gespeichert sein.
Der Anschluß eines externen Multiplexers an die m Fig. 1 gezeigte A/D-Wandleranordnung kann ebenfalls durch die kanal- spezifische Erzeugung und Ausgabe von Steuersignalen unterstutzt werden. Zu diesem Zweck ist eine entsprechende Em- richtung 16 vorgesehen, die m Abhängigkeit von dem Einstellsignal 5 der Steuereinheit 8 entsprechende Steuersignale für αen (nicht gezeigten) externen Multiplexer erzeugt. Dabei ist
insbesondere denkbar, daß e nach zu wandelndem Signalkanal 2 oder je nach anfordernder Anforderungsquelle 1 über den externen Multiplexer unterschiedliche Stellungen abgefragt wer¬ den .
Em m Fig. 1 gezeigter integrierter Mechanismus 17 zur Erkennung eines Kurzschlusses und/oder Leiterbruchs kann zur Fehlererkennung ebenfalls m Abhängigkeit von dem Emstellsi- gnal 5 kanalspezifisch aktiviert oder deaktiviert werden.
In verschiedenen Applikationen ist die synchrone Abtastung und A/D-Wandlung von zwei oder mehr analogen Signalkanalen 2 erforderlich. Daher ist eine Einrichtung 18 vorgesehen, die m Abhängigkeit von dem augenblicklich zu wandelnden Signal- kanal 2 gegebenenfalls eine Anforderung für eine A/D-Wandlung eines weiteren Signalkanals durch einen anderen A/D-Wandler erzeugt. Durch die m dem Speicher 13 abgelegten Emstellm- formationen kann f r jeden Signalkanal 2 festgelegt sein, ob eine taktsynchrone A/D-Wandlung durch einen anderen A/D- Wandler erforderlich ist und, wenn ja, durch welchen anderen A/D-Wandler welcher analoge Signalkanal gewandelt werden soll. Diese Informationen werden dann über das Emstellsignal 5 an die Einrichtung 18 weitergereicht.
Des weiteren ist gemäß Fig. 1 eine Einrichtung 19 vorgesehen, welche abhangig von dem Emstellsignal 5 Steuersignale für andere Baugruppen oder Module erzeugt, um diese entsprechend zu bemflussen. Dies ist immer dann erforderlich, wenn das Wandlungsergebnis eines Signalkanals 2 zu einem bestimmten Ereignis, beispielsweise einem Interrupt, fuhren sollte. Auf diese Weise kann beispielsweise die Not-Aus-Funktion einer PWM-Emheit oder dergleichen gesteuert werden.
Neben den zuvor erwähnten und anhand der m Fig. 1 gezeigten Einrichtungen 14-19 erläuterten Funktionen können weitere
Maßnahmen kanalspezifisch ergriffen werden, die ebenfalls von der Steuereinheit 8 durchgeführt werden können.
So umfaßt die Steuereinheit 8 beispielsweise einen Ereignis¬ sensor 11, der das Auftreten eines bestimmten Ereignisses, beispielsweise eines bestimmten Interrupts, überwacht. Sollte das Wandlungsergebnis eines zuvor gewandelten Signalkanals 2 zu dem jeweils kanalspezifisch überwachten Ereignis fuhren, wird von der Steuereinheit 8 automatisch eine A/D-Wandlung eines anderen Signalkanals 2 angefordert bzw. eine andere Anforderungsquelle 1 aktiviert. Die für jeden Signalkanal 2 überwachten Ereignisse können wiederum m Form entsprechender Emstellmformationen kanalspezifisch in dem Speicher 13 abgelegt sein.
Ebenso ist denkbar, daß kanalspezifisch festgelegt ist, ob em Abtastwert des jeweils zu wandelnden Signalkanals 2 lediglich einmal oder mehrmals nacheinander gewandelt werden soll, um anschließend den Mittelwert der einzelnen Wandlungs- ergebnisse bilden und m dem Ergebnisregister 7 speichern zu können. Ist für einen Signalkanal 2 eine wiederholte A/D- Wandlung seiner Abtastwerte definiert, sorgt die Steuereinheit 8 entsprechend dafür, daß für einen entsprechend langen Zeitraum kein anderer Signalkanal 2 an den A/D-Wandler 6 durchgeschaltet bzw. kein Anforderungssignal 20 einer anderen Anforderungsquelle 1 veraroeitet wird.
Die Steuereinheit 8 kann auch eine Pπoπsierungslogik 10 aufweisen, welche zur prioπtatsgesteuerten Abarbeitung der von den unterschiedlichen Anforderungsquellen 1 eingehenden Anforderungssignale 20 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck wird von der Priorisierungslogik 10 beispielsweise jeder A/D-
Wandleranforderung eine bestimmte Priorität zugewiesen und Anforderungen mit höherer Priorität vor Anforderungen mit niedrigerer Priorität verarbeitet. Allgemein kann die Reihenfolge αer durcnzufuhrenden Wandlungen nach bestimmten Ent- scheidungskriterien erfolgen, die als weitere Funktion der Steuereinheit 9 kanal- bzw. anforderungsquellenspezifisch einstellbar sind. So können beispielsweise für jede Anforde-
rungsquelle 1 m dem Speicher 13 Informationen gespeichert sein, die für die jeweilige Anforderungsquelle 1 die Reihen¬ folge der Wandlungen der einzelnen Signalkanale 2 festlegen.
Die Priorisierungslogik 10 der Steuereinheit 8 kann insbesondere derart ausgestaltet sein, daß bei gleichzeitiger Anforderung eines Signalkanals 2 von mehreren Anforderungsquellen 1 kanalspezifisch entschieden wird, ob der jeweilige Signalkanal 2 nur einmal oder der Anzahl der Anforderungen entspre- chend oft gewandelt werden soll. Auch diese Informationen können für eden Signalkanal 2 m dem Speicher 13 abgelegt sein.
Darüber hinaus kann für jeden Signalkanal 2 und/oder für jede Anforderungsquelle 1 m Form entsprechender E stellmforma- tionen festgelegt sein, ob bei Eingehen einer Anforderung für eine A/D-Wandlung dieses Signalkanals 2, welcher eine höhere Priorität als einer augenblicklich durchgeführten A/D- Wandlung eines anderen Signalkanals 2 zugewiesen ist, die be- reits laufende A/D-Wandlung zu Ende gefuhrt oder zugunsten einer Abarbeitung der hoherpπoren Anforderung unterbrochen und erst spater, nämlich nach Beendigung der hoherpπoren A/D-Wandlung, beendet werden soll.
Die zuvor beschriebenen Beispiele machen deutlich, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein vorgeschlagen wird, bestimmte Betπebsparameter der A/D-Wandleranordnung kanalspezifisch einzustellen, um somit die A/D- Wandleranordnung m Abhängigkeit von dem jeweils zu wandeln- αen Signalkanal anzupassen. Die aufgeführten Emstellmoglich- keiten sind selbstverständlich lediglich beispielhaft zu verstehen, und es können auch abweichend von den erläuterten Emstellmoglicnkeiten andere Betriebsparameter bzw. Funktionen der A/D-Wandleranordnung kanalspezifisch eingestellt wer- den.