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Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines Analogwertes in eine n-stellige Binärzahl
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines Analogwertes in eine n-stellige Binärzahl, deren einzelne Stellen durch schrittweisenvergleich des Analogwertes mit 1/2,1/4, 1/8..-des maximalen Amplitudenwertes ermittelt werden.
Bei einer bekannten derartigen Schaltungsanordnung wird der umzusetzende Analogwert als Span- nung in einem Kondensator gespeichert und nacheinander mit 1/2,1/4, 1/8 einer dem maximalen Am- plitudenwert entsprechenden Spannung verglichen. übersteigt der umzusetzende Analogwert die halbe maximale Spannung, so wird die erste Stelle der Binärzahl als "1" gekennzeichnet und diese Spannung von der im Kondensator gespeicherten Spannung subtrahiert. Anschliessend wird die Restspannung am Kondensator mit 1/4 der Maximalspannung verglichen. Falls die Restspannung diesen Spannungswert nicht überschreitet, wird die zweite Stelle der Binärzahl als "0" gekennzeichnet und von der Restspannung am Kondensator wird nichts subtrahiert. In der gleichen Weise laufen die Vorgänge bei den restlichen Vergleichsschritten ab.
Diese Schaltungsanordnung weist den Nachteil auf, dass sich die mit der Analogspannung zu vergleichende Vergleichsspannung durch mehrere hintereinander geschaltete Stufenspannungen zusammensetzt, die kein gemeinsames Erdpotential haben dürfen. Hiedurch ergeben sich'Schwierigkeiten, die nur durch erhöhten Aufwand umgangen werden können.
Bei der Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, dass ein ausser mit dem gestuften Vergleichsstrom mit einem Vorstrom belasteter Widerstand TD mit teilweise positiver und teilweise negativer Strom-Spannungskennlinie (Kippcharakteristik), vorzugsweise eine Tunneldiode vorgesehen ist, wobei der Vorstrom so eingestellt ist, dass der Kippunkt in der Charakteristik gerade beim Wert "0" des Analogstromes liegt (Fig. 2, Kurve 2), dass zur Zuführung der entsprechend gestuften Gleichströme mit einem Vergleich zum umzusetzenden Analogwert umgekehrter Polarität n zueinander parallel liegende, abgestufte Widerstände R1... R4" mit der Tunneldiode zusammen mit nacheinander zu betätigenden bistabilen Schaltern Gl, K1...
G4, K4 in Reihe geschaltet sind und dass ein Spezialverstärker V'vorgesehen ist, dem die umzusetzende und die an der Tunneldiode TD jeweils abfallende Spannung eingangsseitig zugeführt wird und der so geschaltet ist, dass an seinem Ausgang nur eine Spannung auftritt, wenn die Vergleichsspannung kleiner als die an der Tunneldiode abfallende Spannung ist, wobei die Schalterabhängigkeit von der Ausgangsspannung jeweils so gesteuert wird, dass ein einmal eingeschalteter Schalter durchlässig bleibt, wenn nach seinem Einschalten die Analogspannung grösser als die an der Tunneldiode abfallende Spannung war und wieder geöffnet wird, wenn die Analogspannung kleiner ist, so dass am Ende die Stellung der Schalter Gl, K1... G4, K4 unmittelbar die Binärzahl wiedergibt.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist also eine Tunneldiode vorgesehen und jeder Stelle der Binärzahl ist dabei ein bistabiles Speicherglied zugeordnet, das bei Beginn des zugeordneten Vergleichsschrittes in die "l-Lage" umgeschaltet wird und dadurch den zugeordneten Schalter durchlässig steuert. Die jeweils an der Tunneldiode abfallende Spannung wird einem Spezialverstärker zugeführt,
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der an seinem Ausgang nur dann eine Spannung abgibt und das zugeordnete Speicherglied wieder in die 0-Lage zurückschaltet, wenn der Analogstrom kleiner als die Summe der Stufenströme ist und an der Tunneldiode deshalb eine vergleichsweise niedrige Spannung abfällt. Nach Beendigung des Umsetzvorganges entsprechen also die Zustände der Speicherstufen den verschiedenen Stellen der Binärzahl.
Die zur Umsetzung benötigten Zeichen werden vorteilhaft aus einem Taktverteiler abgeleitet.
Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von in der Zeichnung dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispielen erläutert, bei denen als Kippwiderstände Tunneldioden vorgesehen sind.
In Fig. 2 zeigt die Kurve 1 die Kennlinie der Tunneldiode TD nach Fig. l ohne Vorspannung. Durch den Strom Iv über den Widerstand Rv aus der Spannungsquelle U2 ist die Kennlinie der Tunneldiode TD so weit nach unten verschoben (Fig. 2, Kurve 2), dass das Strommaximum bei der Spannung U-genau beim Strom I = 0 liegt.
Am Eingang E (Fig. l) wird ein dem umzusetzenden Analogwert entsprechender Analogstrom vorgeführt. Vom Taktverteiler TV wird zur Taktzeit tl die bistabile Kippstufe Kl in die "1"-Lage umgeschaltet und dadurch das KoinzidenzgatterG1 durchlässig gesteuert. Von der Spannungsquelle U1 ausgehend kann sich nunmehr ein Stromfluss über das Koinzidenzgatter G1, den Widerstand Rl und die Tunneldiode TD ausbilden. Der Widerstand Rl ist dabei so bemessen, dass dieser Stromfluss der Hälfte des dem maximalen Amplitudenwert entsprechenden Analogstromes Imax gleich ist. Wie an Hand von Fig. 2
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TD eine Spannung ab, die grösser als U+ ist, wenn der am Eingang E zugeführte Analogstrom grösser als der über den Widerstand R1 fliessende Strom ist.
Am Eingang des Spezialverstärkers V tritt also eine vergleichsweise hohe Spannung auf. Dieser Spezialverstärker V ist derart ausgeführt, dass an seinem Ausgang nur dann eine Spannung auftritt, wenn seine Eingangsspannung grösser oder gleich U+ ist. Dies ist zunächst der Fall, wenn der Analogstrom I grösser als Imax/2 ist. Der vom Taktverteiler TV zur Taktzeit t2 abgegebene Impuls kann also das Koinzidenzgatter G5 nicht durchlaufen und die bistabile Kippstufe Kl bleibt in der"l"-Lage liegen und kennzeichnet die erste Stelle der Binärzahl als eine"l". Das Koinzidenzgatter G1 bleibt demzufolge ausgesteuert und über die Tunneldiode wird ständig der durch den Widerstand Rl festgelegte Strom Imax/2 geführt.
Zur Taktzeit t3 wird vom Taktverteiler TV die bistabile Kippstufe K2 in die "l"-Lage umgeschal- tet und dadurch das Koinzidenzgatter G2 ausgesteuert. Nunmehr bildet sich ein weiterer Stromfluss von der Spannungsquelle Ul über das Koinzidenzgatter G2, den Widerstand R2 und die Tunneldiode TD aus.
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Wie an Hand von Fig. 2 (Kurve 4) zu erkennen ist, fällt an der Tunneldiode TD nunmehr eine Spannung ab, die kleiner als U- ist und am Eingang des Spezialverstärkers V anliegt. An dessen Ausgang tritt nunmehr also eine Spannung auf, die die Koinzidenzgatter G5-G8 vorbereitet. Der nachfolgende Taktimpuls t4 des Taktverteilers TV kann also das Koinzidenzgatter G6 durchlaufen und stellt diebistabile Kippstufe K2 wieder in die "0"-Lage zurück. Die zweite Stelle der Binärzahl wird dadurch als"0"-ge- kennzeichnet und ausserdem das Koinzidenzgatter G2 wieder gesperrt und dadurch der Strom Imax/4 über den Widerstand R2 wieder abgeschaltet.
In dergleichen Weise werden über die bistabilen Kippstufen K3 und K4, die Koinzidenzgatter G3 und G4, die Widerstände R3 und R4 und die Koinzidenzgatter G7 und G8 die weiteren Stellen der Binärzahl ermittelt. Die Widerstände R3 bzw. R4 sind dabei so bemessen, dass der durch sie festgelegte zusätzliche Stromfluss gleich Imax/8 bzw. Imax/16 ist.
Am Ende des Umsetzvorganges entsprechen also die Lagen der bistabilen Kippstufen K1 - K4 den verschiedenen Stellen der Binärzahl. Zur Taktzeit t9 werden die Zustände diesen Kippstufen abgefragt und dadurch an den Ausgängen Al - A4 die Binärzahl in Paralleldarstellung erhalten. Zur Taktzeit tlO werden alle Kippstufen wieder in die "0" -Lage zurückgestellt0 Die Anordnung befindet sich dann wieder im Ausgangszustand.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. l lediglich dadurch, dass der Taktverteiler TV nur halb so viele Taktzeiten liefert und dem Spezialverstärker V ein Verzögerungsglied VZ nachgeschaltet ist, das die Ausgangsspannungen dieses Spezialverstärkers um eine Taktzeit verzögert.
Ein vom Taktverteiler TV abgegebener Taktimpuls bewirkt gleichzeitig die Umschaltung einer bistabilen Kippstufe in die "1" -Lage und gleichzeitig gegebenenfalls die Rückstellung der vorhergehenden Kuppstufe in die "0"-Lage. Beispielsweise schaltet der Taktimpuls t2 die bistabile Kippstufe K3 in die "1" -Lage um und bewirkt gleichzeitig, falls das Koinzidenzgatter G6 durch die gegebenenfalls vorhandene Ausgangsspannung des Verstärkers V über das Verzögerungsglied VZ vorbereitet ist, die
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Zurückstellung der bistabilen Kippstufe K2 in die "0"-Lage. Der Taktimpuls t5 fragt die Kippstufen Kl bis K4 ab und stellt sie gleichzeitig in die "0"-Lage zurück.
Gleichzeitig schaltet der Taktimpuls t5 die Kippstufe Kl in eine"l"-Lage um und leitet damit den nachfolgenden Umsetzvorgang ein.
Die beschriebenen Umsetzerschaltungen nutzen die Eigenschaft der Tunneldioden, bei sehr niedri- gem Leistungspegel zu arbeiten, aus. Versuche haben ergeben, dass es genügt, eine Amplitudenstufe durch ungefähr 0,25 mA darzustellen. Der in Fig. l bzw. Fig. 3 dargestellte Umsetzer mit 16 Amplitudenstufen benötigt dabei nur 4 mA eingeprägten Strom. Weiterhin können bei den dargestellten beschriebenen Um- setzern"schlechte"Tunneldioden verwendet werden, die z. B. ein Verhältnis von Strommaximum zu Stromminimum von nur 2 : 1 aufweisen. Durch die hohe Grenzfrequenz der Tunneldioden ist es weiterhin möglich, sehr schnelle Umsetzer zu bauen.
PATENTANSPRÜCHE : l. Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines in einer elektrischen Spannung wiedergegebenen Analogwertes in eine n-stellige Binärzahl durch schrittweisenvergleich des umzusetzenden Analogwertes mit dem 1/2, dem 1/4, dem 1/8... des maximalen Amplitudenwertes und Auswertung des Vergleiches, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausser mit dem gestuften Vergleichsstrom mit einem Vorstrom belasteter Widerstand (TD) mit teilweise positiver und teilweise negativer Strom-Spannungskennlinie (Kippcharakteristik), vorzugsweise eine Tunneldiode vorgesehen ist, wobei der Vorstrom so eingestellt ist, dass der Kippunkt in der Charakteristik gerade beim Wert "0" des Analogstromes liegt (Fig.
2, Kurve 2), dass zur Zuführung der entsprechend gestuften Gleichströme mit einem Vergleich zum umzusetzenden Analogwert umgekehrter Polarität n zueinander parallel liegende, abgestufte Widerstände (Rl... R4) mit der Tunneldiode zusammen mit nacheinander zu betätigenden bistabilen Schaltern (Gl, Kl... G4, K4) in Reihe geschaltet sind und dass ein Spezialverstärker (V) vorgesehen ist, dem die umzusetzende und die an der Tunneldiode (TD) jeweils abfallende Spannung eingangsseitig zugeführt wird und der so geschaltet ist, dass an seinem Ausgang nur eine Spannung auftritt, wenn die Vergleichsspannung kleiner als die an der Tunneldiode abfallende Spannung ist, wobei die Schalterabhängigkeit von der Ausgangsspannung jeweils so gesteuert wird, dass ein einmal eingeschalteter Schalter durchlässig bleibt,
wenn nach seinem Einschalten die Analogspannung grösser als die an der Tunneldiode abfallende Spannung war und wieder geöffnet wird, wenn die Analogspannung kleiner ist, so dass am Ende die Stellung der Schalter (G1, Kl .... G4, K4) unmittelbar die Binärzahl wiedergibt.