-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren
zur Kalibrierung von analogen Filterschaltungen. Dabei bezieht sich
die Erfindung auf eine Kalibrier-Einheit für die Erzeugung eines Kalibriersignals,
auf eine kalibrierbare Filtereinrichtung umfassend eine Filterschaltung
und eine damit verbundene Kalibrier-Einheit sowie auf ein Verfahren
zur Erzeugung eines Kalibriersignals.
-
In
vielen elektronischen Schaltungen, insbesondere im Bereich der Nachrichtentechnik
wie der Mobilfunktechnik, kommen analoge, zeitkontinuierliche Filterschaltungen
zum Einsatz. Diese erfordern häufig
die Einhaltung von Grenzfrequenzen im Toleranzbereich von wenigen
Prozent. Diese Forderung ist ohne eine Kalibrierung nicht realisierbar,
da integrierte passive Bauelemente (R und C) in ihren Absolutwerten
größeren technologiebedingten
Schwankungen unterliegen. Dasselbe Problem ergibt sich auch für analoge
Zeitverzögerungsglieder,
sofern eine höhere
Genauigkeit gefordert wird, als sie von der Technologie bereitgestellt
werden kann.
-
Eine
prinzipielle Möglichkeit
zur Lösung
dieses Problems besteht darin, die Widerstands- und Kondensatorelemente
während
der Fertigung zu trimmen, wobei sich jedoch herausgestellt hat,
dass eine solche Vorgehensweise sehr kostenaufwändig ist. Mit den solchermaßen fertiggestellten
und getrimmten Bauelementen ist es zudem nicht möglich, Temperatureinflüsse und
Drift während
des Betriebs auszugleichen.
-
Aus
diesem Grund werden Filterschaltungen mit kalibrierbaren Widerstands-
oder Kondensatorelementen hergestellt. Die Kalibrierbarkeit wird
zumeist dadurch hergestellt, dass entweder dem Widerstandselement
eine Anzahl in beliebiger Kombination zuschaltbarer Widerstände in Serie
oder parallel geschaltet wird, oder dem Kondensatorelement eine
Anzahl von in beliebiger Kombination zuschaltbarer Kondensatoren
parallel geschaltet wird. Die Information darüber, welche Widerstände oder
Kondensatoren zugeschaltet werden müssen, um optimale Filtereigenschaften
zu erzeugen, sind in einem Kalibriersignal enthalten, welches in
einer Kalibrier-Einheit erzeugt wird.
-
Die
Kalibrier-Einheit ist üblicherweise
ein Teil der integrierten Schaltung, welche ein Referenz-RC-Glied
enthält,
welches die gleichen Widerstands- und Kondensator-Typen enthält, wie
sie in der zu kalibrierenden Filterschaltung verwendet werden. Vor
Inbetriebsetzung der Filterschaltung wird ein Spannungssprung mit
der Höhe
V an das zuvor entladene RC-Glied
angelegt und aus der Sprungantwort die RC-Zeitkonstante ermittelt.
In der 1 ist der Verlauf
v(t) der Sprungantwort in einem Spannungs-Zeit-Diagramm dargestellt.
Die momentane Höhe
v(t) der Sprungantwort wird mit einem Festwert v1 verglichen. Bei Überschreitung
dieses Festwertes zum Zeitpunkt t1 wird die Zeitmessung gestoppt
und die abgelaufene Zeit digital gespeichert. Die Zeitmessung wird üblicherweise
mit einem Binärzähler durchgeführt, welcher
mit einer präzisen
Referenzfrequenz fr getaktet wird.
-
Die
Sprungantwort v(t) eines RC-Gliedes ist v × (1 – exp(–t/(RC))), so dass gilt v1
= V × (1 – exp(–t1/(RC))).
-
Somit
ist das RC-Produkt aus V, v1 und der mittels des Frequenznormals
fr messbaren Zeitdauer t1 eindeutig zu ermitteln. Es gilt RC = t1/(–ln(1 – (v1/V))).
Das Produkt RC ist proportional t1. Für v1 = V × (0.632) wird R × C = t1.
-
Um
integrierte Filter auf die erwünschte Grenzfrequenz
fg zu kalibrieren, müssen
alle R oder alle C im Filter entsprechend einem Faktor K proportional
1/t1 verstellt werden, da die Frequenz fg proportional 1/RC ist.
-
Die
R- oder C-Verstellung geschieht mittels digital programmierbarer
R- oder C-Elemente, wobei b die Anzahl der Programmier-Bits ist
und die Verstellung in einem bestimmten Bereich RCmin ...
RCmax möglich
ist.
-
In
der Druckschrift
US 5,416,438 ist
eine Filteranordnung dargestellt, wie sie vorstehend im Prinzip
wiedergegeben wurde. Diese Filteranordnung weist auf einem gemeinsamen
Halbleiter-Chip eine Zeitkonstanten-Detektorschaltung und eine von
der Detektorschaltung gesteuerte aktive Filterschaltung auf. Die
Detektorschaltung ist aus einer einen Widerstand und einen Kondensator
enthaltenden Zeitkonstanten-Schaltung zur Erzeugung eines Sprungantwortsignals,
einer Referenzspannungsschaltung zur Erzeugung einer Referenzspannung,
einem Komparator, einem UND-Glied, einem 4-Bit-Pulszähler und einem
Encoder für
die Umwandlung des Zählergebnisses
in ein Kalibriersignal aufgebaut. Dem Komparator wird an seinem
ersten Eingang das Sprungantwortsignal und an seinem zweiten Eingang
die erzeugte Referenzspannung zugeführt. Dem UND-Glied wird an
seinem ersten Ausgang das Ausgangssignal des Komparators und an
seinem zweiten Eingang ein Referenztakt zugeführt. Das UND-Glied gibt nur
solange Referenztaktimpulse an den Pulszähler ab, wie es ein Ausgangssignal
von dem Komparator erhält.
Sobald jedoch das Sprungantwortsignal die Referenzspannung übersteigt, geht
das Ausgangssignal des Komparators auf Null, so dass das UND-Glied
keine Referenztaktimpulse mehr an den Zähler liefert. Die Anzahl der
von dem Zähler
gezählten
Taktimpulse ist somit ein Maß für die RC-Zeitkonstante
der Zeitkonstantenschaltung, wenn die Referenzspannung und die Bauelemente so
dimensioniert sind, wie es weiter oben mit Bezug auf die
1 beschrieben wurde. Der
Encoder führt der
aktiven Filterschaltung ein 3-Bit-Kalibriersignal zu, mit welchem
in zwei verschiedenen Varianten dem in der Filter schaltung verwendeten
Widerstand drei weitere Widerstände
in Serie oder parallel zugeschaltet werden können.
-
Eine
im Prinzip ähnliche
Anordnung ist in der Druckschrift
US 6,417,727 B1 dargestellt, wobei hier vorgesehen
ist, dass dem in der aktiven Filterschaltung verwendeten Kondensator,
gesteuert durch das Kalibriersignal, weitere Kondensatoren parallel
geschaltet werden können.
Weitere ähnliche
Kalibrieranordnungen und -verfahren sind den Druckschriften US 2002/0067220
A1,
US 5,822,687 und
US 5,187,445 zu entnehmen.
-
In
der Anwendung wird die Kalibrierbarkeit der aktiven Filterschaltung
zumeist durch kalibrierbare Kondensatorelemente bereitgestellt,
wobei das Kalibriersignal eine b Bit breite Binärzahl ist und über einen
b Bit breiten parallelen Bus an die kalibrierbaren Kondensatorelemente
der aktiven Filterschaltung angelegt wird. Bezüglich der kalibrierbaren Kondensatorelemente
handelt es sich üblicherweise
um binärgewichtete,
schaltbare Kondensator-Kaskaden. Die bei der zuvor erstgenannten
Druckschrift verwendete Kalibrierung der Widerstandselemente in
der aktiven Filterschaltung ist aufgrund der Verfälschung der
binärgewichteten
Widerstandswerte durch die Schalter weniger gebräuchlich und wegen der zumeist
höheren
Anzahl von Widerstandselementen aufwändiger.
-
Bei
dem zuvor beschriebenen Stand der Technik ist nachteilig, dass das
Referenz-RC-Glied eine entsprechend hohe RC-Zeitkonstante besitzen muss,
so dass bei gegebener Referenzfrequenz fr die Zeit t1 mit einer
Auflösung > b Bit gemessen werden
kann. Durch die Größe von RC
kann eine erhöhte
Chip-Fläche erforderlich
werden, wodurch die Herstellungskosten der Schaltung gesteigert
werden. Zudem wird für
die Berechnung des Faktors K ein digitales Rechenwerk mit Multiplikation
und Division benötigt,
oder zumindest eine Wertetabelle mit entsprechend errechneten Korrekturwerten.
Dies ist auf rein analogen Chips unter Umständen nicht erwünscht. Schließlich können Störungen und
Rauschen die Messung von t1 verfäl schen,
da v(t) und v1 durch den Komparator nur einmal verglichen werden.
-
Die
Druckschrift
US 4 791 379 beschreibt eine
Kalibrier-Einheit
zur Erzeugung eines Kalibriersignals für ein aktives Filter, welches
aus einem mit Widerständen
und Kondensatoren beschalteten Operationsverstärker besteht. Der in der
2 dieser Druckschrift gezeigte
Schaltungsaufbau der Kalibrier-Einheit
weist einen Oszillatorschaltkreis auf und besteht aus einem Taktgenerator
mit nachgeschaltetem Zähler
und Register sowie einem Referenzverstärker, der mit einem Referenzkondensator
und einem Referenzwiderstand beschaltet ist. Mit dieser Referenzverstärkerschaltung
wird eine Referenzzeitkonstante erzeugt, die das der Oszillatoreinheit
nachgeschaltete Register zur Erzeugung des Kalibriersignals für das aktive
Filter ansteuert. Der Nachteil dieser Kalibrierschaltung liegt darin,
dass auf der Basis der erzeugten Referenzzeitkonstante das Kalibriersignal
nicht mit der nötigen
Genauigkeit generiert werden kann. Vergleichbare gattungsbildende
Kalibrierschaltungen sind auch in den Druckschriften
US 4 851 719 ,
EP 0 910 165 A2 und
DE 101 56 027 A1 beschrieben.
-
Es
ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung
und ein Verfahren anzugeben, durch welche eine Kalibrierung einer
aktiven Filterschaltung im Betrieb unter verringertem Kostenaufwand
und verbesserter Genauigkeit bereitgestellt werden können.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Ein
wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
für die
Ermittlung eines Kalibriersignals ein Oszillator aus Referenz-Bauelementen
aufgebaut wird. Es wird davon ausgegangen, dass eine Filterschaltung
kalibriert werden soll, welche Widerstandsmittel, Kondensatormittel
und Verstärkermittel
aufweist. Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auf eine Kalibrier-Einheit
für die
Erzeugung eines Kalibriersignals für die Kalibrierung der Filterschaltung,
wobei die Kalibrier-Einheit einen Oszillatorschaltkreis aufweist,
welcher Referenz-Widerstandsmittel, Referenz-Kondensatormittel und Referenz-Verstärkermittel
enthält.
Der Oszillatorschaltkreis schwingt mit einer Frequenz, die im Wesentlichen
durch die RC-Zeitkonstante der Referenz-Widerstandsmittel und der Referenz-Kondensatormittel
bestimmt wird. Die Kalibrier-Einheit weist ferner Mittel zur Erzeugung
des Kalibriersignals auf der Basis der Frequenz des Oszillatorschaltkreises auf.
Die Kalibrier-Einheit weist des Weiteren einen ersten Komparator
und einen zweiten Komparator auf, die jeweils mit einem ihrer Eingänge mit
einem Ausgang des Oszillatorschaltkreises verbunden sind, um das Über- und
Unterschreiten von Spannungs-Schwellenwerten am Ausgang des Oszillatorschaltkreises
zu detektieren und entsprechende Zählimpulse an die Kalibriersignal-Erzeugungsmittel
abzugeben.
-
Der
Oszillatorschaltkreis ist dabei so aufgebaut, dass ein Ausgang der
Widerstandsmittel mit einem Eingang der Verstärkermittel und mit einem Eingang
der Kondensatormittel gekoppelt ist, ein Ausgang der Verstärkermittel
mit einem Ausgang der Kondensatormittel und jeweils mit einem Eingang des
ersten und des zweiten Komparators gekoppelt ist, wobei an den Eingang
der Widerstandsmittel zwei verschiedene konstante elektrische Versorgungspotentiale
schaltbar sind.
-
Die
Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Messung einer Frequenz
anstelle der umgekehrt proportionalen Zeitkonstante der Einsatz
eines Rechenwerks oder einer Tabelle überflüssig wird. Stattdessen sind
innerhalb der Kalibriersignal-Erzeugungsmittel
einfache Zählmittel,
wie beispielsweise ein Binärzähler zum
Zählen
der von den Komparatormitteln abgegebenen Zählimpulse vonnöten.
-
Das
in dem Oszillatorschaltkreis enthaltene Referenz-RC-Glied benötigt keine
von externen Größen wie
dem Referenztakt abhängige
große
Zeitkonstante und erlaubt somit relativ große Freiheit in seiner Dimensionierung.
-
Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass Rauschen und andere Störeinflüsse sich
an den Komparatormitteln nicht mehr so kritisch auswirken, weil
wiederholt periodische Vergleiche die unkorrelierten Fehler verringern.
-
Die
Erfindung bietet auch die Möglichkeit, Einflüsse der
Verstärkermittel
auf die Filtergrenzfrequenz gegebenenfalls mit zu kalibrieren.
-
Eine
vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsform
ist derartig ausgestaltet, dass dem ersten Komparator an seinem
ersten Eingang das erste Versorgungspotential zugeführt wird
und sein zweiter Eingang mit dem Ausgang der Verstärkermittel
gekoppelt ist, und wobei dem zweiten Komparator an seinem ersten
Eingang das zweite Versorgungspotential zugeführt wird und sein zweiter Eingang
mit dem Ausgang der Verstärkermittel
gekoppelt ist. Dabei ist ferner der Ausgang des ersten Komparators mit
einem ersten Eingang und der Ausgang des zweiten Komparators mit
einem zweiten Eingang einer Kippschaltung verbunden und der Ausgang
der Kippschaltung ist mit dem Steuereingang eines Umschalters verbunden,
der zwei Eingänge
für die
Zufuhr der Versorgungspotentiale und einen mit den Widerstandsmitteln
verbundenen Ausgang aufweist. Des Weiteren kann bei dieser Ausführungsform
vorgesehen sein, dass der Ausgang des ersten Komparators mit dem
ersten Eingang eines ODER-Glieds
verbunden ist und der Ausgang des zweiten Komparators mit dem zweiten
Eingang des ODER-Glieds verbunden ist und der Ausgang des ODER-Glieds
mit den Kalibriersignal-Erzeugungsmitteln verbunden ist. Das ODER-Glied
hat somit gewissermaßen
die Aufgabe, die von den beiden Komparatoren kommenden Zählimpulse
auf einer einzigen Leitung zusammenzufassen und den Kalibriersignal-Erzeugungsmitteln zuzuführen. Die
Kalibrier signal-Erzeugungsmittel können dann des Weiteren ein
UND-Glied, Zeitintervall-Erzeugungsmittel
und Zählmittel
aufweisen und der Ausgang des ODER-Glieds kann mit einem ersten
Eingang des UND-Glieds verbunden sein und ein Ausgang der Zeitintervall-Erzeugungsmittel
kann mit einem zweiten Eingang des UND-Glieds verbunden sein und
der Ausgang des UND-Glieds kann mit den Zählmitteln verbunden sein. Auf
diese Weise wird ermöglicht,
dass nur die Zählimpulse
gezählt
werden, die innerhalb eines von den Zeitintervall-Erzeugungsmitteln
erzeugten Zeitintervalls auftreten.
-
Die
Zeitintervall-Erzeugungsmittel können durch
einen Binärzähler gegeben
sein, dessen Eingang mit den Referenztakt-Erzeugungsmitteln verbunden ist. Die
Größe des Binärzählers wird
vorzugsweise so gewählt,
dass seine höchstwertige
Speicherstelle ein Ausgangssignal mit dem gewünschten Zeitintervall bereitstellen
kann.
-
Die
Zählmittel
sind vorzugsweise durch einen Binärzähler, insbesondere einen Modulo-Binärzähler, gegeben.
Ein Modulo-Binärzähler ist
ein Binärzähler, bei
welchem Modulo (2b) gezählt werden soll. Dies wird
weiter unten noch näher
erläutert.
-
Die
Verstärkermittel
der Filterschaltung und die Referenz-Verstärkermittel der Kalibrier-Einheit können jeweils
durch einen Operationsverstärker
gegeben sein.
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine kalibrierbare
Filtereinrichtung, welche eine Filterschaltung umfasst, die Widerstandsmittel, Kondensatormittel
und Verstärkermittel
enthält,
wobei die Widerstandsmittel und/oder die Kondensatormittel kalibrierbar,
insbesondere schaltungstechnisch konfigurierbar oder veränderbar
sind, und die Filtereinrichtung umfasst ferner eine vorstehend beschriebene
erfindungsgemäße Kalibrier-Einheit,
deren Ausgang mit einem Eingang der kalibrierbaren Widerstands-
und/oder Kondensatormittel der Filterschaltung verbunden ist.
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur
Erzeugung eines Kalibriersignals für die Kalibrierung einer Filterschaltung,
welche Widerstandsmittel, Kondensatormittel und Verstärkermittel
enthält.
Bei dem Verfahren wird in einem Oszillatorschaltkreis, welcher Referenz-Widerstandsmittel,
Referenz-Kondensatormittel und Referenz-Verstärkermittel enthält, eine
Schwingung erzeugt, ein die Schwingungsfrequenz repräsentierendes
Signal ermittelt und davon ein Kalibriersignal abgeleitet und der
Filterschaltung zugeführt.
Aus der Schwingung des Oszillatorschaltkreises werden durch Detektieren
des Über-
und Unterschreitens von Spannungs-Schwellenwerten am Ausgang des Oszillatorschaltkreises
periodische Zählimpulse
mit der Periode der Schwingung erzeugt und gezählt und aus der Anzahl der
innerhalb eines Zeitintervalls liegenden Zählimpulse wird das Kalibriersignal
abgeleitet.
-
Das
Zeitintervall kann dabei so erzeugt werden, indem ein Referenztaktsignal
einem Binärzähler geeigneter
Größe zugeführt wird,
so dass an einem Ausgang der höchstwertigen
Speicherstelle des Binärzählers ein
Signal mit der Periode des Zeitintervalls abgegriffen werden kann.
-
Die
Zählimpulse
können
mittels eines Binärzählers, insbesondere
eines Modulo-Binärzählers gezählt werden,
wie weiter unten noch näher
erläutert
werden wird.
-
Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Kalibrier-Einheit
und ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung
eines Kalibriersignals für
die Kalibrierung einer Filterschaltung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
-
1 der zeitliche Verlauf
der Sprungantwort eines RC-Gliedes;
-
2 ein Blockschaltbild einer
Ausführungsform
für eine
erfindungsgemäße kalibrierbare
Filtereinrichtung, welche eine Kalibrier-Einheit und eine Filterschaltung
enthält;
und
-
3 der zeitliche Verlauf
verschiedener Signale beim Betrieb der Filtereinrichtung der 2.
-
Die
in der
2 dargestellte
Ausführungsform
der kalibrierbaren Filtereinrichtung weist eine Kalibrier-Einheit
10 und
eine Filterschaltung
20 auf, die von der Kalibrier-Einheit
10 ein
digitales Kalibriersignal der Wortbreite b erhält. Die Filterschaltung
20 enthält einen
oder mehrere (x) Widerstände
(R)
21, einen Operationsverstärker
22 und eine kalibrierbare Kondensatoreinrichtung
23,
die beispielsweise wie die in der
4 der
eingangs erwähnten
Druckschrift
US-P-6,417,727 gezeigte
Kondensatoreinrichtung als digital ansteuerbare Anordnung beliebig
zuschaltbarer parallel geschalteter Kondensatoren ausgestaltet werden
kann.
-
Die
Kalibrier-Einheit 10 lässt
sich in einen Analogteil 10.1 und einen Digitalteil 10.2 unterteilen. Der
Digitalteil 10.2 umfasst die weiter oben erwähnten Kalibriersignal-Erzeugungsmittel.
-
In
dem Analogteil 10.1 werden durch zwei Referenzspannungsquellen 1 und 2 die
elektrischen Versorgungspotentiale V+ und V– bereitgestellt und an einen
Umschalter 3 (MUX) an seine zwei Eingänge geliefert. Der Umschalter 3 besitzt
nur einen Ausgang und kann als Reaktion auf ein Steuersignal eines
der beiden Versorgungspotentiale V+ oder V– an seinen Ausgang schalten.
Der Ausgang des Umschalters 3 ist mit einem Widerstand 4(R)
verbunden, der von demselben Typ wie die in der Filterschaltung verwendeten
Widerstände 21(R)
ist. Der Widerstand 4 ist ausgangsseitig sowohl mit einer
Kondensatoreinrichtung 5 als auch mit dem ersten Eingang
eines Operationsverstärkers 6 verbunden.
Die Kondensatoreinrichtung 5 kann prinzipiell ebenfalls
kalibrierbar sein, ist jedoch im Betrieb und für die Erzeugung eines einer
bestimmten Filterschaltung zuzuführenden Kalibriersignals
auf einen Festwert eingestellt. Der zweite Eingang des Operationsverstärkers 6 ist
mit einem Ruhepotential verbunden. Der Ausgang der Kondensatoreinrichtung 5 ist
mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 6 verbunden.
Der Operationsverstärker 6 ist
von demselben Typ wie der in der Filterschaltung 20 verwendete
Operationsverstärker 22.
-
Der
Ausgang des Operationsverstärkers 6 ist außerdem mit
dem ersten ("+"-) Eingang eines
ersten Komparators 7.1 verbunden, während dem zweiten ("–"-) Eingang des Komparators 7.1 das
Versorgungspotential V+ der Referenzspannungsquelle 1 zugeführt wird.
Dem zweiten ("+"-) Eingang eines zweiten
Komparators 7.2 wird das Versorgungspotential V– der Referenzspannungsquelle 2 zugeführt, während der
zweite ("–"-) Eingang des zweiten
Komparators 7.2 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 6 verbunden
ist.
-
Der
Ausgang des ersten Komparators 7.1 wird dem Setzeingang
eines R/S-Flip-Flop-Schalters 8 zugeführt, während der Aus gang des zweiten
Komparators 7.2 dem Rücksetzeingang
des R/S-Flip-Flop-Schalters 8 zugeführt wird.
Der Q-Ausgang des Flip-Flop-Schalters 8 wird
als Steuersignal dem Umschalter 3 übermittelt.
-
Durch
die Referenz-Spannungsgeneratoren 1 und 2, den
Umschalter 3, den Widerstand 4, die Kondensatoreinrichtung 5,
den Operationsverstärker 6,
die Komparatoren 7.1 und 7.2 und den R/S-Flip-Flop-Schalter 8 wird
ein Oszillatorschaltkreis gebildet.
-
Die
Schwingungsfrequenz des Oszillatorschaltkreises wird durch die RC-Zeitkonstante
des Widerstands 4 und der Kondensatoreinrichtung 5 bestimmt.
Wenn durch den Umschalter 3 der Widerstand 4 mit
dem ersten Versorgungspotential V+ verbunden wird, so steigt das
Potential am Ausgang des Operationsverstärkers 6 mit einer
durch die RC-Zeitkonstante des Widerstands 4 und der Kondensatoreinrichtung 5 bestimmten
Anstiegsgeschwindigkeit in Richtung auf das Versorgungspotential
V+. Solange das Potential am Ausgang des Operationsverstärkers 6 unterhalb
des Versorgungspotential V+ liegt, ist das Ausgangssignal des ersten
Komparators 7.1 gleich Null. Infolge der Wirkung des Operationsverstärkers 6 wird
jedoch das Potential an seinem Ausgang über das Versorgungspotential
V+ gezogen. In diesem Moment gibt der erste Komparator 7.1 ein Ausgangssignal
ab und setzt den R/S-Flip-Flop-Schalter 8, so dass der
Q-Ausgang seinen digitalen Schaltzustand ändert und damit den Umschalter 3 dazu
veranlasst, auf das Versorgungspotential V– umzuschalten.
-
Anschließend wird
nun in gleicher Weise nur mit umgekehrter Richtung der Ausgang des
Operationsverstärkers 6 in
Richtung auf das Versorgungspotential V– gezogen. Sobald das Potential
an diesem Punkt unter das Versorgungspotential V– sinkt, wird durch den zweiten
Komparator 7.2 ein Signal abgegeben und mit diesem Signal
der R/S-Flip-Flop-Schalter 8 zurückgesetzt. Somit ändert sich
an dessen Q-Ausgang der digitale Signalzu stand und der Umschalter 3 wird
wieder auf das Versorgungspotential V+ umgeschaltet, so dass der
Zyklus von vorne beginnt.
-
Die
beiden Komparatoren 7.1 und 7.2 geben jeweils
kurze Impulse an den Umkehrpunkten der Schwingung des Oszillatorschaltkreises
mit der Periode 2T ab. Die Ausgänge
der Komparatoren 7.1 und 7.2 sind mit den beiden
Eingängen
eines ODER-Glieds 9 verbunden.
Auf diese Weise werden die von den Komparatoren 7.1 und 7.2 gelieferten
Impulszüge
auf einer einzelnen Leitung zusammengefasst und stellen einen Impulszug
von Zählimpulsen der
Periode T bereit.
-
In
dem Digitalteil 10.2 der Kalibrier-Einheit werden die Zählimpulse
einem ersten Eingang eines UND-Glieds 11 zugeführt. Dem
zweiten Eingang des UND-Glieds 11 wird ein rechteckförmiges Signal
zugeführt,
welches ein Zeitintervall t2 darstellt, innerhalb dessen die Anzahl
der Zählimpulse
gezählt
werden soll. Das rechteckförmige
Zeitintervall wird mittels eines ersten Binärzählers 12 erzeugt,
welchem ein Referenztaktsignal fr an seinem Zähleingang zugeführt wird.
Das zu erzeugende Zeitintervall soll eine Länge von n Referenztaktimpulsen
haben, so dass t2 = n/fr ist. Das gewünschte, invertierte Zeitintervall-Rechtecksignal
wird an dem Ausgang der höchstwertigen
Speicherstelle (n – 1)
des Binärzählers 12 bereitgestellt.
Dieses Signal wird in den zweiten Eingang des UND-Glieds 11 eingegeben
(= Powerdown-Signal des Oszillators). In den obersten beiden Zeitdiagrammen
der 3 sind das Referenztaktsignal
fr und das Zeitintervall t2 dargestellt.
-
An
dem Ausgang des UND-Glieds 11 werden somit nur die Zählimpulse
bereitgestellt, die innerhalb des Zeitintervalls t2 liegen. Diese
werden einem zweiten Binärzähler 13 an
seinem Zähleingang
zugeführt.
Während
des festen Zeitintervalls t2 = n/fr erzeugt der Oszillatorschaltkreis
somit m periodische Zählimpulse,
welche von dem Binärzähler 13 der Breite
b Bit erfasst werden. Der b Bit breite Binärzähler 13 wird vor der
Kalibrierung mit einem festen Wert k vorgeladen. Der Binärzähler 13 kann
während
des Kalibrier-Intervalles mehrfach überlaufen. Der Zählerwert
ist m Modulo (2b). m0 Modulo (2b)
ist der neutrale Programmierwert für die kalibrierbare Kondensatoreinrichtung 23 der
Filterschaltung 20 (für
einen idealen Nominalwert des RC-Produkts der Technologie). Der
mögliche
Kalibrierbereich der kalibrierbaren Kondensatoreinrichtung 23 ist
0 ... (2b–1).
-
In
der 3 sind die Zeitverläufe der
Oszillatorschwingung und die zugehörigen Verläufe des Zählerstands des b-Bit-Binärzählers 13 dargestellt.
-
Es
gelten im Übrigen
die weiteren Definitionen:
Die Variablen b, k, m0, n sind natürliche Zahlen,
wobei m0 gerundet werden muss.
-
T0
ist das nominale Produkt aus R und C im Oszillatorschaltkreis und
ist im Prinzip frei wählbar, wobei
eine Größenordnung
vorteilhaft ist, die den Werten R und C entspricht, die in der Filterschaltung vorkommen.
-
RCmax
ist der normierte Maximalwert des RC-Produktes gemäß den Fertigungstoleranzen
(der integrierten Schaltung) und RCmin ist der normierte Minimalwert.
Es wird ohne Verlust von Allgemeingültigkeit angenommen, dass RCmax
= 1/RCmin ist. Damit wird der Nominalwert als geometrisches Mittel der
beiden Grenzwerte definiert, wie es bei vielen Technologien gültig ist.
Falls diese Beziehung nicht gilt, muss für die Kalibrierung RCmax oder
RCmin aufgeweitet werden, so dass gilt RCmax = 1/RCmin.
-
Die
Werte von m0 und n werden in Abhängigkeit
von fr, b, T und normiertem RCmax wie folgt ermittelt: n/fr = T0 × m0
für R und
C nominal n/fr = [m0 + 2(b–1)] × T0/RCmax
für R und
C minimal.
-
Aus
den obigen Beziehungen ergibt sich: m0 = [2(b–1)]/(RCmax – 1) n = T0 × m0 × fr.
-
Der
Wert k zur Vorladung des Binärzählers wird
wie folgt ermittelt:
Für
m = m0 Zählimpulse
nach erfolgter Kalibrierung ist ein Zählerstand von 2(b–1) – 1 erwünscht, um
die kalibrierbare Kondensatoreinrichtung 23 der Filterschaltung 20 in
Neutraleinstellung zu bringen. Diese Einstellung ist üblicherweise
in digitaler Form 2(b–1). Das kleinste k > 0 ist zu wählen, so
dass gilt: (k + m0) Modulo (2b) = 2(b–1) – 1 (das
kleinste k > 0 wird
deshalb gewählt,
um nach minimaler Anzahl von Zählerüberläufen ein
Resultat zu erhalten).
-
Dies
wird an dem folgenden numerischen Ausführungsbeispiel noch näher erläutert:
Sei
b = 4 Bit, fr = 20 MHz, RCmax = 1.3 und T = 400 ns nominal
-
Die
Kondensatoreinrichtung 23 in der Filterschaltung 20 ist über einen
4-Bit-Parallelbus proportional 1/1.3 ... 1.3 um den Nominalwert
kalibrierbar.
-
Es
gilt m0 = [2(b–1)]/(RCmax – 1),womit
m0 = 8/[1.3 – 1]
~ 27 (gerundet).
-
Es
gilt ferner n = T × m0 × fr,womit n = 400 ns × 27 × 20 MHz
= 216 wird, was einem Kalibrierintervall von n/fr = 216/20 MHz =
10.8 μs
entspricht.
-
Es
sei k = 12, womit (k + m0) Modulo (2b) = 2(b–1) – 1 erfüllt ist.
-
Es
ist somit (12 + 27) Modulo 16 = 39 Modulo 16
= 2(4–1) – 1 = 7.
-
Im
Folgenden wird angenommen, dass das normierte RC-Produkt der Technologie
durch Streuung um den Faktor 1.3 vom Nominalwert abweicht. Somit
wird das RC-Produkt im Oszillator um den Faktor 1.3 erhöht und der
RC-Oszillator erzeugt im Kalibrierintervall n/fr nur noch m/1.3
Zählimpulse.
Die Frequenz f eines RC-Dreieck-Oszillators ist proportional 1/(RC).
-
Nach
27/1.3 ~ 20 Zählimpulsen
+ Vorladewert k = 12 ist der Zählerstand
nach Kalibrierung (27/1.3 + 12) Modulo 16 ~ 32 Modulo 16 = 0 (alle
Angaben dezimal, Nachkommastellen abgeschnitten).
-
Dabei
entspricht 0 dem Minimalwert 1/1.3, welcher an der Kondensatoreinrichtung
eingestellt werden kann. Somit ist das normierte RC-Produkt im Filter
1.3/1.3 = 1.0 und das Filter ist exakt kalibriert.
-
Im
Folgenden wird angenommen, dass das normierte RC-Produkt der Technologie
durch Streuung um den Faktor 1/1.3 vom Nominalwert abweicht. Somit
wird das RC-Produkt im Oszillator um den Faktor 1/1.3 verringert
und der RC-Oszillator erzeugt im Kalirier-Intervall n/fr m × 1.3 Zählimpulse.
-
Nach
27× 1.3
~ 35 Zählimpulsen
+ Vorladewert k = 12 ist der Zählerstand
nach Kalibrierung (27 × 1.3
+ 12) Modulo 16 ~ 47 Modulo 16 = 15 (alle Angaben dezimal, Nachkommastellen
abgeschnitten).
-
Dabei
entspricht 15 dem Maximalwert 1.3, welcher an der Kondensatoreinrichtung
eingestellt werden kann. Somit ist das normierte RC-Produkt im Filter
(1/1.3) × 1.3
= 1.0 und das Filter ist exakt kalibriert.
-
Zwischen
den Extremwerten kann die Kalibrierung durch den 4-Bit-Quantisierungsfehler
um ± (1.3 – 1.0)/16
schwanken. Das entspricht einem Schwankungsfehler von ± 1.9 %.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die schaltungstechnische Realisierung der
Ausführungsform
der 3 beschränkt. Vielmehr
kann innerhalb des Analogteils 10.1 der Kalibrier-Einheit 10 ein
RC-Dreieck-Oszillator mit nur einem Komparator vorgesehen sein,
welcher auf und ab umgeschaltet wird. Des Weiteren können der
RC-Oszillator und die Komparatoren auch voll differentiell ausgeführt werden.
Anstelle der Verwendung eines RC-Dreieck-Oszillators kann
auch ein RC-Sinus-Oszillator zum Einsatz kommen.