DE19914207A1

DE19914207A1 - A/D-Wandlerschaltung

Info

Publication number: DE19914207A1
Application number: DE19914207A
Authority: DE
Inventors: Horst Kroeckel; Peter Feld; Markus Vester
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: US6285305B1; DE19914207C2

Abstract

A/D-Wandlerschaltung DOLLAR A - mit einer Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung (2) zum Erfassen und Zwischenspeichern eines zugeführten analogen Eingangssignals (e) und zum Ausgeben des zwischengespeicherten Eingangssignals (e), DOLLAR A - mit mindestens zwei der Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung (2) nachgeordneten, zueinander parallelgeschalteten Signalwegen (4, 5), in denen das von der Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung (2) ausgegebene zwischengespeicherte Eingangssignal (e) festen, voneinander verschiedenen Verstärkungen unterworfen wird, und DOLLAR A - mit einer den Signalwegen (4, 5) nachgeordneten Auswahlschaltung (7) zum Durchschalten genau eines der Signalwege (4, 5) auf einen der Auswahlschaltung (7) nachgeordneten A/D-Wandler (11).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine A/D-Wandlerschaltung.

Aus der US-PS 5 546 081 ist eine Analog/Digital-Wandlerschal tung zum Digitalisieren eines amplitudenmodulierten analogen Hochfrequenzsignals bekannt. Die A/D-Wandlerschaltung besteht aus einem A/D-Wandler mit vorgeschaltetem, steuerbarem Ver stärker und nachgeschaltetem digitalen Dividierer. Die Ver stärkung des steuerbaren Verstärkers und die Division des Di vidierers kompensieren einander. Die Steuersignale für den Verstärker und dem Dividierer werden von einem Pegelerken nungsglied ermittelt und dem Verstärker und dem Dividierer vorgegeben.

Die bekannte A/D-Wandlerschaltung ist insofern nachteilig, als an die Linearität der Digitalisierung hohe Anforderungen zu stellen sind. Diese können nur dann erfüllt werden, wenn der Verstärker mit konstanten und genau einstellbaren Ver stärkungsfaktoren arbeitet und der A/D-Wandler sehr linear arbeitet. Ein weiteres, schwerwiegendes Problem besteht dar in, daß bei Änderungen der Verstärkung diese sehr schnell eingestellt werden muß.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine A/D-Wandlerschaltung anzugeben, die ohne hochgenau arbeitende Komponenten auskommt und dennoch in einem großen Dynamikbe reich eine hohe Linearität von Eingangs- zu Ausgangssignal liefert.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine A/D-Wandlerschaltung

- mit einer Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung (Sample & Hold- Schaltung) zum Erfassen und Zwischenspeichern eines zuge führten analogen Eingangssignals und zum Ausgeben des zwi schengespeicherten Eingangssignals,
- mit mindestens zwei der Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung nachgeordneten, zueinander parallelgeschalteten Signalwe gen, in denen das von der Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung ausgegebene zwischengespeicherte Eingangssignal festen, voneinander verschiedenen Verstärkungen unterworfen wird, und
- mit einer den Signalwegen nachgeordneten Auswahlschaltung zum Durchschalten genau eines der Signalwege auf einen der Auswahlschaltung nachgeordneten A/D-Wandler.

Wenn die Verstärkung in einem der Signalwege gleich eins ist, ist der Aufbau der A/D-Wandlerschaltung besonders einfach. In dem anderen der Signalwege kann die Verstärkung wahlweise größer oder kleiner eins sein.

Wenn die Verstärkung kleiner eins ist, ist sie auf besonders einfache Weise mit rein passiven Komponenten (z. B. einer Wi derstands-Teilerschaltung) realisierbar. Gegebenenfalls kann es aber erforderlich sein, vor oder hinter der Vor-Abtast- und-Halte-Schaltung eine Vorverstärkung des analogen Ein gangssignals vorzunehmen.

Wenn zwischen der Auswahlschaltung und dem A/D-Wandler eine Nach-Abtast-und-Halte-Schaltung angeordnet ist, kann die A/D- Wandlerschaltung eine höhere Datenrate verarbeiten. Die Ab tast-und-Halte-Schaltungen können dabei gleich ausgebildet sein.

Wenn dem A/D-Wandler zur Korrektur von Wandlungsfehlern eine Korrekturschaltung nachgeordnet ist, ist eine Kompensation von Linearitätsfehlern des A/D-Wandlers möglich.

Wenn die Auswahlschaltung mit der Korrekturschaltung verbun den ist, kann zusammen mit der Linearitätskorrektur zugleich auch der Wertebereich des digitalisierten Signals eingestellt werden. Zur Kompensation einer durch die A/D-Wandlung bewirk ten Wandlungszeit ist dabei vorzugsweise zwischen der Aus wahlschaltung und der Korrekturschaltung ein Verzögerungsele ment angeordnet.

Die erfindungsgemäße A/D-Wandlerschaltung kann insbesondere in einer Empfangseinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung verwendet werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zei gen in Prinzipdarstellung

Fig. 1 eine A/D-Wandlerschaltung,

Fig. 2 eine weitere A/D-Wandlerschaltung,

Fig. 3 ein Ansteuerungsdiagramm und

Fig. 4 eine Magnetresonanzeinrichtung

Gemäß Fig. 1 weist eine allgemein mit 1 bezeichnete A/D-Wand lerschaltung eine Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung 2 (Sample and-Hold-Speicher) auf. Sie dient dem Erfassen und Zwischen speichern eines analogen Eingangssignals e, das über den Ein gang 3 in die Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung 2 eingespeichert werden kann.

Der Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung 2 sind zwei Signalwege 4, 5 nachgeordnet, welche zueinander parallelgeschaltet sind. Die Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung 2 gibt das zwischengespei cherte Eingangssignal e auf beide Signalwege 4, 5 aus. In den Signalwegen 4, 5 wird das Eingangssignal e festen, voneinan der verschiedenen Verstärkungen unterworfen. Gemäß Fig. 1 ist die Verstärkung im Signalweg 4 wegen des Verstärkers 6 größer eins, im Signalweg 5 gleich eins.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 6 wird auch einer Pegeler fassungsschaltung 9 zugeführt, die der Auswahlschaltung 7 zu geordnet ist. Wenn die Pegelerfassungsschaltung 9 detektiert, daß das verstärkte Eingangssignal oberhalb eines Grenzpegels p0 liegt, wird die Auswahlschaltung 7 derart angesteuert, daß das unverstärkte Eingangssignal e von der Auswahlschaltung 7 durchgeschaltet wird. Ansonsten wird von der Auswahlschaltung 7 das verstärkte Eingangssignal durchgeschaltet. Es wird also stets genau einer der Signalwege 4, 5 durchgeschaltet.

Das durchgeschaltete Signal wird einer Nach-Abtast-und-Halte- Schaltung 10 zugeführt. Die Nach-Abtast-und-Halte-Schaltung 10 kann dabei genauso ausgebildet sein wie die Vor-Abtast- und-Halte-Schaltung 2. Von der Nach-Abtast-und-Halte-Schal tung 10 wird das durchgeschaltete Signal einem A/D-Wandler 11 zugeführt. Dieser digitalisiert das ihm zugeführte Analogsi gnal mit einer Genauigkeit von z. B. 12 Bit.

Das vom A/D-Wandler 11 digitalisierte Signal wird einer Kor rekturschaltung 12 zugeführt. Dieses korrigiert eine etwaige Nichtlinearität des A/D-Wandlers 11. Der Korrekturschaltung 12 ist ferner über ein Verzögerungselement 13 mit der Pegel erfassungsschaltung 9 verbunden. Das Verzögerungselement 13 dient der Kompensation einer Wandlungszeit T, welcher der A/D-Wandler 11 benötigt, um das ihm zugeführte Analogsignal in einen Digitalwert umzuwandeln.

Der Korrekturschaltung 12 werden also gemäß Fig. 1 insgesamt 13 Bit zugeführt, nämlich 12 Bit vom A/D-Wandler 11 und ein Bit vom Verzögerungselement 13. Die Korrekturschaltung 12 hat eine Ausgangsbreite von 16 Bit. Wenn die Auswahlschaltung 7 das verstärkte Eingangssignal durchgeschaltet hat, gibt die Korrekturschaltung 12 ein Signal aus, bei dem die vier höchstwertigen Bit null sind. Die 12 niederwertigen Bit wer den durch das - gegebenenfalls korrigierte - Ausgangssignal des A/D-Wandlers 11 bestimmt. Wenn hingegen von der Auswahl schaltung 7 das unverstärkte Eingangssignal e durchgeschaltet wird, bestimmt das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 11 die 12 höchstwertigen Bit des von der Korrekturschaltung 12 ausgege benen Signals. Die vier niedrigstwertigen Bit sind dann null.

Aus Fig. 1 ist ferner ersichtlich, daß die A/D-Wandlerschal tung 1 einen Taktgeber 14 aufweist. Mittels des Taktgebers 14 werden die Abtast-und-Halte-Schaltungen 2, 10, der A/D-Wand ler 11 und die Korrekturschaltung 12 getaktet. Die Taktung erfolgt mit einer Abtastrate, welche weit oberhalb 1 MHz liegt. Vorzugsweise liegt die Abtastrate zwischen 5 MHz und 100 MHz.

In Fig. 3 ist die Taktung der Abtast-und-Halte-Schaltungen 2, 10 dargestellt. Der Buchstabe S steht dabei in Fig. 3 für Sample, d. h. Einspeichern des Eingangssignals e, H für Hold bzw. Halten des Eingangssignals e. Mit t ist die Zeitachse bezeichnet. Ergänzend sind in Fig. 3 auch die Taktsignale dar gestellt, bei denen der A/D-Wandler 11 ein neues Eingangs signal e übernimmt. In den Taktpausen erfolgt dann die Digi talisierung des Eingangssignals e.

Aufgrund der Pipelinestruktur der A/D-Wandlerschaltung 1 mit zwei Abtast-und-Halte-Schaltungen 2, 10 kann der A/D-Wandler 11 ein bereits abgetastetes Eingangssignal e wandeln, während das Eingangssignal e neu abgetastet wird und die Signalwege 4, 5 und die Auswahlschaltung 7 durchläuft. Die Einschwing zeiten des Verstärkers 6 sowie der Auswahlschaltung 7 dürfen somit fast ebenso lang sein wie die Wandlungszeit T des A/D- Wandlers 11.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä ßen A/D-Wandlerschaltung 1 dargestellt. Gleiche Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die A/D-Wand lerschaltung 1 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der A/D- Wandlerschaltung 1 gemäß Fig. 1 dadurch, daß im einen Signal weg 4 die Verstärkung gleich eins ist, während im anderen Signalweg 5 eine Abschwächung des Signals erfolgt, der Ver stärker 6 also mit einer Verstärkung kleiner eins arbeitet. Dadurch kann der Verstärker 6 mit rein passiven Elementen aufgebaut werden, z. B. als Widerstands-Teilerschaltung. Falls erforderlich, kann das Eingangssignal e vor der Vor Abtast-und-Halte-Schaltung 2 mittels eines Vorverstärkers 15 verstärkt werden.

Die erfindungsgemäße A/D-Wandlerschaltung 1 kann für ver schiedene Anwendungszwecke eingesetzt werden. Besonders vor teilhaft aber ist, wie in Fig. 4 dargestellt, die Verwendung in einer Empfangseinrichtung 16 einer Magnetresonanzeinrich tung 17. Die Magnetresonanzeinrichtung 17 weist einen Magnet feldsender 18 und einen Magnetfeldempfänger 19 auf. Das Si gnal des Magnetfeldsenders 18 regt ein Objekt 20, das einem Grundmagnetfeld B ausgesetzt ist, zu Magnetresonanzen an. Dieses Magnetresonanzsignal wird dann vor einer digitalen Weiterverarbeitung über die A/D-Wandlerschaltung 1 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 geführt.

Claims

1. A/D-Wandlerschaltung

- mit einer Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung (2) zum Erfas sen und Zwischenspeichern eines zugeführten analogen Eingangssignals (e) und zum Ausgeben des zwischenge speicherten Eingangssignals (e),
- mit mindestens zwei der Vor-Abtast-und-Halte-Schaltung (2) nachgeordneten, zueinander parallelgeschalteten Signalwegen (4, 5), in denen das von der Vor-Abtast- und-Halte-Schaltung (2) ausgegebene zwischengespeicher te Eingangssignal (e) festen, voneinander verschiedenen Verstärkungen unterworfen wird, und
- mit einer den Signalwegen (4, 5) nachgeordneten Aus wahlschaltung (7) zum Durchschalten genau eines der Signalwege (4, 5) auf einen der Auswahlschaltung (7) nachgeordneten A/D-Wandler (11).

2. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung in einem der Signalwege (4, 5) gleich eins ist.

3. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung in einem der Signalwege (4, 5) klei ner eins ist.

4. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung in einem der Signalwege (4, 5) größer eins ist.

5. A/D-Wandlerschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Auswahlschaltung (7) und dem A/D-Wandler (11) eine Nach-Abtast-und-Halte-Schaltung (10) angeordnet ist.

6. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß die Abtast-und-Halte-Schaltungen (2, 10) gleich aus gebildet sind.

7. A/D-Wandlerschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem A/D-Wandler (11) zur Korrektur von Wandlungsfeh lern eine Korrekturschaltung (12) nachgeordnet ist.

8. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlschaltung (9) mit der Korrekturschaltung (12) verbunden ist.

9. A/D-Wandlerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation einer für die A/D-Wandlung benötig ten Wandlungszeit (T) zwischen der Auswahlschaltung (9) und der Korrekturschaltung (12) ein Verzögerungselement (13) angeordnet ist.

10. A/D-Wandlerschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Empfangseinrichtung (16) einer Magnetre sonanzeinrichtung (17) verwendet wird.