DE1762407B1 - Analog digital umsetzerstufe - Google Patents
Analog digital umsetzerstufeInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Umsetzerstufe Aus der USA.-Patentschrift 3 161 868 ist eine
für eine Einrichtung zum Umsetzen von Analog- Schaltung für eine Umsetzerstufe bekannt, die in Ab-
signalen in nach dem Gray-Code verschlüsselte Binär- hängigkeit eines analogen Eingangssignals ein säge-
signale, bestehend aus einer eine V-förmige Über- zahnförmiges analoges Rest-Ausgangssignal liefert,
tragungslinie aufweisenden Verstärkerschaltung mit 5 Mit einer derartigen Übertragungscharakteristik kann
einem Analogsignaleingang, einem Digitalsignalaus- jedoch eine Gray-Codierung nicht durchgeführt
gang zum Ableiten eines vom Pegel des am Analog- werden.
signaleingang anliegenden analogen Eingangssignals Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
abhängigen Binärsignals und mit einem Analog- einfach aufgebaute und auch bei hohen Umsetzerge-
signalausgang. io schwindigkeiten zuverlässig arbeitende Umsetzerstufe
Bei Umsetzerstufen dieser Art wird dem Analog- anzugeben, der analoge Eingangssignale in nach dem
signaleingang der Umsetzerstufe ein zu codierendes Gray-Code codierte Ausgangssignale abgibt. Diese
Signal zugeführt. Dieses Signal wird in ein digitales Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
und ein analoges Ausgangssignal zerlegt. Das digitale daß die Verstärkerschaltung einen Differentialver-Ausgangssignal
stellt eine 1-Bit-Aussage dar, die an- 15 stärker enthält, von dem der eine Eingang über eine
gibt, in welches von zwei Bereichen das Analogein- niederohmige Impedanz mit einer Bezugspotentialgangssignal
fällt. Der Analogsignalausgang trägt das quelle und über einen Richtleiter mit dem Analoganaloge
Rest-Ausgangssignal, welches als Analog- signaleingang verbunden ist, während der andere Einsignal
den Wert des analogen Eingangssignals in dem gang über einen entgegengesetzt gepolten Richtleiter
genannten digitalen Bereich angibt. Dieses analoge 20 mit dem Analogsignaleingang in Verbindung steht
Rest-Ausgangssignal der einen Umsetzerstufe dient und der den Analogsignalausgang der Umsetzerstufe
als Analogeingangssignal für die nächste der einzel- darstellende Ausgang des Differentialverstärkers zum
nen in Kaskade geschalteten Stufen eines Umsetzers. anderen Eingang rückgekoppelt ist.
Die einzelnen digitalen Ausgangssignale der Um- In der hiermit angegebenen Schaltung zum Umsetzer bilden die einzelnen Ziffern einer dem Analog- 25 setzen eines analogen Eingangssignals in ein digitales eingangswert entsprechenden Zahl. Ausgangssignal und ein analoges Rest-Ausgangs-
Die einzelnen digitalen Ausgangssignale der Um- In der hiermit angegebenen Schaltung zum Umsetzer bilden die einzelnen Ziffern einer dem Analog- 25 setzen eines analogen Eingangssignals in ein digitales eingangswert entsprechenden Zahl. Ausgangssignal und ein analoges Rest-Ausgangs-
Um die Fehlergröße bei einer auftretenden fehler- signal kann die V-förmige Übertragungscharakteristik
haften Codierung möglichst klein zu halten, verwen- für das Rest-Ausgangssignal nicht durch Laufzeit-
det man üblicherweise die Gray-Codierung. Diese unterschiede in der Schaltung gestört werden, wo-
Codierung hat die Eigenschaft, daß beim Übergang 30 durch eine einwandfreie Codierung im Gray-Code
von einer digitalen Zahl auf die nächst benachbarte gewährleistet ist. Der Differentialverstärker arbeitet
nur eine Ziffer geändert wird. invertierend oder nichtinvertierend, je nachdem ob
Durch die USA.-Patentschrift 3 187 325 ist bereits der an ihm anliegende Eingangssignalpegel vom Beein
Umsetzer bekannt, der analoge Eingangssignale reichsmittenpegel aus gesehen in der einen oder
in im Gray-Code codierte digitale Ausgangssignale 35 anderen Richtung liegt. Die V-förmige Ubertragungsumsetzt.
Dieser Umsetzer besteht aus mehreren in charakteristik ist zur Mitte des vorgesehenen BeKaskade
geschalteten Umsetzerstufen, deren jede reiches der Umsetzerstufe praktisch symmetrisch,
eine V-förmige Übertragungscharakteristik zwischen Dadurch wird ein analoges Rest-Ausgangssignal gedem
zugeführten analogen Eingangssignal und dem liefert, dessen Größe von der absoluten Differenz
abgegebenen analogen Rest-Ausgangssignal aufweist. 4° zwischen dem Pegel des Eingangssignals und dem
Die V-förmige Übertragungskennlinie wird darin in Pegel, welcher der Bereichsmittel entspricht, abhängt,
jeder Stufe »stückweise« erzeugt, d.h., die beiden Das Rest-Ausgangssignal aus jeder Stufe wird dem
Äste des V werden getrennt gebildet und anschließend Eingang der folgenden Stufe zugeführt. Die Anzusammengefügt.
Sie werden in je einem Rückkopp- zahl der verwendeten Stufen wird bestimmt lungspfad eines Verstärkers gebildet. In einer der 45 durch die gewünschte Auflösung des gesamten Umangegebenen
Ausführungsformen des Analog-Digital- setzers.
Umsetzers werden die beiden Hälften der Über- Eine vorteilhafte Ausführungsform einer dertragungskennlinien
in der Weise zusammengefügt, artigen Umsetzerstufe besteht darin, daß zwischen daß eine Hälfte über einen invertierenden Verstärker den Richtleitern und den Analogsignaleingang ein
und die andere Hälfte über eine nicht invertierende so Verstärker geschaltet ist, dessen Ausgang über eine
Kopplungseinrichtung an einen Summierungspunkt Parallelschaltung entgegengesetzt gepolter Richtleiter
übertragen wird. Diese Schaltung hat jedoch den zu seinem Eingang rückgekoppelt ist. Dieser Schal-Nachteil,
daß die beiden verschiedenen, zum Sum- tungsteil bewirkt, daß das digitale Ausgangssignal
mierungspunkt führenden Wege in der Praxis stets eindeutig feststellbar ist, da der Null-Durchgang
unterschiedliche Laufzeiten aufweisen, was einen 55 rasch erfolgen kann.
Betrieb bei sehr großen Umsetzergeschwindigkeiten Weiterhin ist es vorteilhaft, daß der Eingang des
unmöglich macht. In einer zweiten in der obenge- Verstärkers über einen Stellwiderstand mit einer
nannten Patentschrift angegebenen Ausführungsform Bezugspotentialquelle in Verbindung steht. Durch
ist dieser Nachteil dadurch behoben, daß die beiden diesen Stellwiderstand kann das Eingangssignal auf
Schaltungswege einander angeglichen sind. Diese 60 einfache Weise normiert werden, so daß Änderungen
beiden Schaltungshälften müssen jedoch äußerst sorg- der Bezugsspannungen und der Stufenverstärkung,
fältig aufeinander ausgerichtet werden, was die Schal- aber auch Drifterscheinungen des Verstärkers kom-
tung einerseits sehr teuer und andererseits sehr stör- pensiert werden können.
anfällig werden läßt. Außerdem enthält die zweite Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen
Ausführungsform Mehrfach- oder »Fremd«-Rück- 65 dienen zur Erläuterung dieser Erfindung. Die Zeich-
kopplungswege, welche mehr als eine Stufe umfassen, nungen zeigen in
so daß es äußerst schwierig ist, die Schaltung zu F i g. 1 an Hand eines Diagramms die Darstellung
stabilisieren. einer analogen Größe im Gray-Code,
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F i g. 2 in Form eines zu F i g. 1 ähnlichen Dia- gang 26 für ein analoges Eingangssignal, einen
gramms die zum Erzeugen von digitalen Ausgangs- Ausgang 28 für ein digitales Ausgangssignal und
Signalen und von Rest-Ausgangssignalen erforder- einen Ausgang 30 für ein analoges Rest-Signal. Das
liehe Stufenübertragungskennlinie für die Umwand- analoge Signal EIv welches umgesetzt werden soll,
lung eines analogen Eingangssignals in ein zyklisch- 5 wird zum Eingang 26 der ersten Stufe geleitet. Der
binär codiertes Ausgangssignal, Ausgang 30 jeder Stufe ist mit dem Eingang 26 der
F i g. 3 an Hand eines Blockschaltbildes einen aus folgenden Stufe verbunden. Das von jeder Stufe gemehreren,
praktisch identischen Stufen bestehenden lieferte analoge Rest-Ausgangssignal wird in der
Umsetzer, wobei die Stufen kaskadenförmig zu- gleichen Weise wie das analoge Eingangssignal zu
sammengeschaltet sind, io einer folgenden Stufe übertragen. Das von der Stufe 1
F i g. 4 das Schaltbild einer typischen, dem Stand gelieferte analoge Rest-Ausgangssignal wird mit ER v
der Technik entsprechenden Umsetzerstufe, das von der Stufe 1 am Ausgang 28 abgegebene
F i g. 5 Betriebskennlinien der in F i g. 4 gezeigten digitale Ausgangssignal wird mit E0 x bezeichnet.
Schaltung, Es sei nun auf F i g. 2 Bezug genommen, welche
F i g. 6 das Schaltbild einer bevorzugten Aus- 15 die Arbeitsweise des Umsetzers von F i g. 3 zeigt. Der
führungsform der vorliegenden Erfindung und Umsetzer von Fig. 3 wandelt bekanntlich die Pegel
Fig. 7 die Übertragungskennlinie der in Fig. 6 analoger Eingangssignale in zyküsch-binär codierte,
gezeigten Schaltung. Signale um. Die Zeile (α) von F i g. 2 ist mit der
Es sei nun auf F i g. 1 Bezug genommen, welche Zeile (α) von F i g. 1 identisch und stellt den Bereich
die Art und Weise zeigt, in der eine aus vier Ziffern ao des analogen Eingangssignals dar. Die Zeile (b) von
bestehende zyklisch-binäre Zifferngruppe zur Dar- Fig. 2 zeigt die Übertragungskennlinien der Stufe 1
stellung der verschiedenen Pegel eines analogen Si- und die Werte des digitalen Ausgangssignals E0 1 und
gnals benutzt werden kann. Es sei darauf hin- des analogen Rest-Ausgangssignals ER t für die vergewiesen,
daß die Zeile (a) von F i g. 1 ein analoges schiedenen Pegel des analogen Eingangssignals;
Eingangssignal E, t darstellt, dessen Pegel in dem Be- 25 Zeile (c) von F i g. 2 zeigt die Übertragungskennreich
zwischen 0 und 8 Einheiten (z. B. Volt) liegen linien der Stufe 2 von F i g. 3 mit den Werten der in
soll. Aus den Zeilen (b), (c), (d) und (e) von F i g. 1 Stufe 2 in Abhängigkeit von dem zugeführten Siwerden
die Ziffern der zyklisch-binären Zifferngruppe gnal ERl erzeugten Signale .E02 und ER2. In ähnfür
jeden Wert des Eingangssignals bestimmt. Es sei licher Weise zeigen die Zeilen (d) und (e) von F i g. 2
darauf hingewiesen, daß die Verwendung von vier 30 die entsprechenden Übertragungskennlinien der Stu-Ziffern
es erlaubt, den Bereich des Eingangssignals fen 3 und 4 von F i g. 3.
E11 in sechzehn verschiedene Pegel zu unterteilen, Es sei darauf hingewiesen, daß die Kennlinien für
wobei jeder Pegel durch eine andere Codeziffern- das digitale Signal, die in den Zeilen (b), (c), (d)
gruppe dargestellt wird. Um die zyklisch-binäre und (e) von Fig. 2 dargestellt sind, Schnittpunkte
Zifferngruppe für irgendeinen Pegel des Eingangs-, 35 enthalten, welche Zustandsänderungen im Diagramm
signals E1x zu bestimmen, ist es nur notwendig, diesen von F i g. 1 entsprechen. In der Zeile (b) von F i g. 2
Pegel auf der Zeile (α) zu markieren, dann im Dia- ist beispielsweise das Signal E0 ± für die erste Hälfte
gramm senkrecht nach unten zu peilen und die vier des Bereiches des Eingangssignals E1 1 positiv und für
Ziffern auf den Zeilen (b), (c), (d) und (e) abzulesen. die zweite Hälfte negativ. Dies entspricht der ersten
Besitzt beispielsweise das Eingangssignal einen 40 Ziffer in Fig. 1, und zwar einer »0« für die erste
Pegel 6,2 auf der Skala 0-8, so kann aus Fig. 1 mit Hälfte des Eingangssignalbereiches und einer »1«
Hilfe der gestrichelten Linie eine zyklisch-binäre für die zweite Hälfte des Eingangsbereiches. Man
Codezahl 1010 abgelesen werden. Besitzt das Ein- beachte, daß eine positive Polarität des Signals E01
gangssignal etwa einen Pegel 2,8, so ergibt sich eine eine binäre »0« und eine negative Polarität eine
zyklisch-binäre Zifferngruppe Olli, was durch die 45 binäre »1« ergibt. Für die folgenden Stufen gilt, daß
gestrichelte Linie 22 angedeutet ist. ein positiver Wert des digitalen Signals einer binären
Es ist das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, »1« und ein negativer Wert einer binären »0« enteine
Vorrichtung zu schaffen, mit der ein analoges spricht. So ist beispielsweise in der Zeile (c) von
Eingangssignal, so wie es durch die Zeile (α) in Fig. 2 das Signal E0? für das erste und das letzte
F i g. 1 dargestellt ist, in einen entsprechenden Satz 50 Viertel des Eingangssignalbereiches negativ und dazyklisch-binär
codierter Ziffern umgesetzt werden zwischen positiv. Dies bezieht sich auf die zweite
kann. Wie oben erwähnt, ist in der USA.-Patent- Ziffer in Fig. 1, welche für das erste und letzte
schrift 3 187 325 eine Vorrichtung beschrieben, Viertel des Eingangssignalbereiches eine »0« und für
welche diese Aufgabe erfüllt. Diese Vorrichtung ist den dazwischenliegenden Teilbereich eine »1« ist.
in F i g. 4 der vorliegenden Patentanmeldung dar- 55 F i g. 2 zeigt an Hand der gestrichelten Linien 20
gestellt und repräsentiert den Stand der Technik. und 22 die Umsetzung der Eingangssignalpegel 6,2
Eine der vorliegenden Erfindung entsprechende Um- und 2,8, die auch durch entsprechende gestrichelte
Setzungseinrichtung ist in F i g. 6 gezeigt. Die wesent- Linien 20 und 22 in F i g. 1 angedeutet sind. Für
liehen Vorteile der in F i g. 6 gezeigten Vorrichtung den Wert 6,2, der durch die gestrichelte Linie 20
gegenüber der in F i g. 4 gezeigten und dem Stand 60 wiedergegeben wird, liefern die Stufen 1 bis 4 von
der Technik entsprechenden Vorrichtung werden F i g. 3 in entsprechender Weise die Ziffernfolge 1010,
unten erläutert. welche der Codezifferngruppe für diesen Eingangs-
Um den Pegel eines analogen Signals in eine signalwert, der in F i g. 1 angedeutet ist, entspricht,
zyklisch-binär codierte Zifferngruppe umzusetzen, In ähnlicher Weise liefern die Stufen 1 bis 4 von
können mehrere im wesentlichen identische Stufen 65 Fig. 3 für den Eingangssignalpegel 2,8 die ent-(Stufe
1, Stufe 2, Stufe 3 und Stufe 4) in Kaskade ge- sprechenden binären Signale Olli, welche der in
schaltet werden, so wie dies F i g. 3 zeigt. Jede durch F i g. 1 gezeigten Darstellung entsprechen.
den Block 24 angedeutete Stufe besitzt einen Ein- Aus den bisherigen Erläuterungen geht hervor,
daß mit Hilfe der in F i g. 2 gezeigten Übertragungs- als Differentialverstärker vorstellen, der einen gekennlinien
der Umsetzer von Fig. 3 zyklisch-binär erdeten Eingang 50 besitzt. Die am Ausgang abcodierte
Signale in Abhängigkeit von einem analogen gegebene Spannung entspricht dann der Differenz
Eingangssignal liefert. Es sei darauf hingewiesen, daß aus dem Erdpotential und dem tatsächlichen Potential
die in Fig. 2 gezeigten Übertragungskennlinien für 5 am Eingang, multipliziert mit der sehr hohen Veralle
Stufen identisch sind. Im einzelnen spricht bei- Stärkung des Verstärkers. Ist die Verstärkerausgangsspielsweise
die Stufe 1 auf das Eingangssignal E11 in spannung nicht übermäßig hoch, so folgt daraus, daß
der Weise an, daß sie ein Ausgangssignal E0 1 mit die obenerwähnte Spannungsdifferenz tatsächlich
einem Verlauf liefert, welcher das Potential »0« oder sehr klein sein kann.
Erdpotential in der Mitte des Eingangssignalbereiches io Der Verstärker 48 bewirkt eine Phasenumkehr um
schneidet. Es sei angenommen, daß der Bereich des 180°. Fließt infolge des Eingangssignals zum Ver-EingangssignalE^
sich von 0 bis 8 Volt erstreckt. stärker 48 ein Strom in positiver Richtung, so ist die
Das Signal E0 x kann einen Bereich aufweisen, der Spannung am Ausgang 52 negativ und die Diode 56
beispielsweise von +8 bis — 8 Volt reicht. Besitzt in Sperrichtung vorgespannt. Unter diesen Bedas
Eingangssignal E1 χ unter diesen Umständen 15 dingungei* fließt durch den Widerstand 58 kein
etwa einen Pegel von +4 Volt, so entspricht das Strom, und die Spannung EA ist gleich Null. Ist
Signal ED t dem Erdpotential. Das Restsignal ER χ andererseits der Eingangsstrom negativ, so ist die
entspricht im wesentlichen dem Signal E0 v lediglich Ausgangsspannung positiv, wodurch die Diode 56 in
die negative Hälfte des Signals E01 ist invertiert. Das Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so daß die
Restsignal ER t kann daher beispielsweise einen Be- ao Spannung EA positiv wird. Dieser Zusammenhang ist
reich von 0 bis +8VoIt aufweisen. Entspricht das in Fig. S, (α) dargestellt. Das Verhältnis zwischen
Signal E0 t entweder +8 oder —8 Volt, so entspricht der Spannung EB und dem Eingangsstrom ist in
das SignalEKl +8 Volt. Entspricht das SignalEDl Fig. 5, (Z>) gezeigt und geht aus den obigen Erläutedem
Erdpotential, so entspricht auch das Signal ERl rungen bezüglich der Spannung EA hervor.
Erdpotential. 95 Die Signale EA und EB werden am Summierungs-Es kann angenommen werden, daß die Stufe 1 eine punkt 42 durch Verbinden des Anschlußpunktes 44 V-förmige Übertragungskennlinie aufweisen soll, um Über den Widerstand 66, den Verstärker 68 und den das SignalERχ von Fig. 2 in Abhängigkeit vom Ein- Widerstand 70 mit dem Anschluß 42 zusammengangssignalß/j erzeugen zu können, Die V-förmige gefügt. Am Verstärker 68 liegt ein Rückkopplungs-Kennlinie sollte zur Mitte des Eingangssignalbereiches 30 widerstand 72. Der Anschluß 46 ist über den Wider-^ symmetrisch sein. Die Stufen 2, 3 und 4 können stand 74 mit dem Summierungspunkt 42 verbunden, identisch zur Stufe 1 sein und dieselbe Kennlinie auf- Da der Verstärker 68 eine Phasenumkehr bewirkt, weisen. Stufe 2 erzeugt das Signal E0 2 aus dem Si- wird die Spannung EA in ihrer Polarität invertiert, gnal£Ä1, indem sie das Signal E^1 invertiert, ver- wobei ein Strom geliefert wird, der in Kombination stärkt und seinen Mittelpunkt auf irgendeinen posi- 35 mit dem durch die Spannung E3 erzeugten Strom zur tiven Pegel, etwa + 8 Volt, erhöht. gewünschten invertierten, V-förmigen Übertragungs-
Erdpotential. 95 Die Signale EA und EB werden am Summierungs-Es kann angenommen werden, daß die Stufe 1 eine punkt 42 durch Verbinden des Anschlußpunktes 44 V-förmige Übertragungskennlinie aufweisen soll, um Über den Widerstand 66, den Verstärker 68 und den das SignalERχ von Fig. 2 in Abhängigkeit vom Ein- Widerstand 70 mit dem Anschluß 42 zusammengangssignalß/j erzeugen zu können, Die V-förmige gefügt. Am Verstärker 68 liegt ein Rückkopplungs-Kennlinie sollte zur Mitte des Eingangssignalbereiches 30 widerstand 72. Der Anschluß 46 ist über den Wider-^ symmetrisch sein. Die Stufen 2, 3 und 4 können stand 74 mit dem Summierungspunkt 42 verbunden, identisch zur Stufe 1 sein und dieselbe Kennlinie auf- Da der Verstärker 68 eine Phasenumkehr bewirkt, weisen. Stufe 2 erzeugt das Signal E0 2 aus dem Si- wird die Spannung EA in ihrer Polarität invertiert, gnal£Ä1, indem sie das Signal E^1 invertiert, ver- wobei ein Strom geliefert wird, der in Kombination stärkt und seinen Mittelpunkt auf irgendeinen posi- 35 mit dem durch die Spannung E3 erzeugten Strom zur tiven Pegel, etwa + 8 Volt, erhöht. gewünschten invertierten, V-förmigen Übertragungs-
Wie oben erwähnt, ist in der USA.-Patentschrift kennlinie von F i g. 5, (c) am Ausgang 42 führt.
3 187 325 eine dem Stand der Technik entsprechende Obwohl die in Fig. 4 dargestellte und dem Stand
Schaltung, welche die verlangte V-förmige Kennlinie der Technik entsprechende Schaltung bei niedrigen
besitzt, beschrieben und hier in F i g. 4 gezeigt. Die 40 Geschwindigkeiten zufriedenstellend arbeitet, ist sie
Schaltung von F i g. 4 kann eine Stufe des Umsetzers bei hohen Geschwindigkeiten unbrauchbar, weil die
von F i g. 3 enthalten. Die V-förmige Kennlinie des Laufzeiten der Signale E4 und EB verschieden groß
Restausgangssignals ist in F i g. 5, (c) dargestellt und sind. Ferner ist die Schaltung von F i g. 4 infolge der
kann am Ausgang 42 abgenommen werden. Diese Rückkopplungsschleife vom Ausgang 42 über die
Kennlinie stellt die Summe von getrennt erzeugten 45 Widerstände 64 und 74 zum Eingang 40 instabil.
Signalen EA und Eb dar, die an den Anschlüssen 44 In der obengenannten Patentbeschreibung sind die
und 46 verfügbar sind. Grenzen der in Fig. 4 gezeigten Schaltung aufgezeigt,
Die Schaltung von Fig. 4 enthält ein nichtlineares und in Fig. 11 dieser erwähnten Patentbeschreibung
Netzwerk, beispielsweise einen Verstärker 48, der ist eine weitere Ausführungsform erläutert, bei der
eine Erdverbindung 50 und einen Ausgang 52 be- 50 die Schaltungswege so ausgeglichen sind, daß keine
sitzt. Der Eingang des Verstärkers 48 ist mit dem Laufzeitdifferenzen auftreten. Die verbesserte, in
Eingang 40 dieser Stufe verbunden. Eine erste Rück- Fig. 11 der erwähnten USA.-Patentschrift dar-
kopplungsschleife des Verstärkers 48 besteht aus der gestellte Ausführungsform enthält zwei identische
Batterie 54, der Diode 56 und dem Widerstand 58. Schaltungshälften in jeder Stufe, die genau angepaßt
Ein zweiter Rückkopplungsweg besteht aus der 55 werden müssen, um einen symmetrischen Zustand zu
Batterie 60, der Diode 62 und dem Widerstand 64. erreichen und einen Betrieb bei hohen Geschwindig-
Das Potential am Eingang des Verstärkers 48 keiten zu ermöglichen. Die Notwendigkeit einer
bleibt praktisch auf Erdpotential. Dies rührt daher, genauen Anpassung verteuert die Schaltung jedoch
daß der Verstärker 48 sowohl eine hohe Strom- als beträchtlich. Außerdem enthält die Schaltung meh-
auch eine hohe Spannungsverstärkung besitzt. Ist 60 rere »FremdÄ-Rückkopplungswege, welche mehr als
dementsprechend die Spannung am Verstärker- eine Stufe umfassen, so daß eine Stabilisierung
ausgang endlich groß, so ist das Potential am Ein- äußerst schwierig ist.
gang vernachlässigbar klein. Genauso verhält es sich Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
bei begrenztem Verstärkerausgangsstrom, wobei der ist in F i g. 6 dargestellt. Die Schaltung von F i g. 6
Eingangsstrom (ohne die Ströme in den Rückkopp- 65 erfüllt im wesentlichen die gleichen Aufgaben wie
lungsschleifen) ebenfalls vernachlässigbar klein ist. die in der erwähnten USA.-Patentschrift erläuterten
Um die Arbeitsweise des Verstärkers 48 noch mehr Schaltungen, zeigt aber einige unerwünschte Eigen-
zu verdeutlichen, kann man sich diesen Verstärker schäften der dem Stand der Technik entsprechenden
Schaltungen nicht. So sind keine Rückkopplungswege zwischen dem Ausgang und dem Eingang einer
Stufe vorgesehen, was der in F i g. 6 gezeigten Schaltung ausgezeichnete Stabilitätseigenschaften verleiht.
Außerdem ist die Schaltung so weit symmetriert, daß die beiden »Hälften« der resultierenden V-förmigen
Kennlinie nicht über Schaltungswege mit unterschiedlichen Laufzeiten geliefert werden müssen. Die
Forderung eines genauen Abgleichs von Widerstandsauf den Spannungsabfall an den Dioden D1 und D 2
zurückzuführen. Liegt nämlich der Pegel des analogen Eingangssignal in der Nähe von + 4 Volt, wird weder
die Diode Dl noch die Diode D 2 in Durchlaß-5 richtung vorgespannt. Folglich ist die Rückkopplungsschleife am Verstärker 106 offen, und das Ausgangssignal
E0 des Verstärkers ändert sich bei kleinen Änderungen des Eingangssignals Et sehr stark.
Es wurde bisher gezeigt, daß das Signal Ευ am
schaltelementen ist zudem beträchtlich erleichtert. io Ausgang 110 abgegeben wird. Mit dem Ausgang 110
Schließlich enthält die Schaltung von F i g. 6 einen ist über die digitale Leitung 112 eine Abfühleinrich-Trimmwiderstand,
mit dem das Eingangssignal nor- tung (nicht dargestellt) gekoppelt, mit der festgestellt
miert werden kann, so daß Änderungen der Bezugs- wird, ob die in der Stufe erzeugte Ziffer in Überspannung
und der Stufenverstärkung, auch aber einstimmung mit den obenerwähnten und im Zu-Drifterscheinungen
des Verstärkers kompensiert 15 sammenhang mit F i g. 2 erläuterten Kriterien einer
werden können. »1« oder einer »0« entspricht. Der Einschnitt 120 in
Die Schaltung von F i g. 6 stellt eine Stufe des in der Kennlinie des Signals E0 erleichtert das Abfühlen
F i g. 3 gezeigten Analog-Digital-Umsetzers dar. Sie der Signalpolarität insoweit, als das Signal sehr rasch
enthält einen Eingangsanschluß 100 und einen Aus- vom positiven in den negativen Bereich übergeht, und
gangsanschluß 102. Der Eingang 100 ist über einen 20 umgekehrt. Die rechts von der digitalen Leitung 112
Widerstand R1 mit einem ersten Eingang 104 eines in F i g. 6 gezeigte Schaltung liefert das analoge Rest-Verstärkers
106 verbunden. Ein zweiter Eingangs- Ausgangssignal ER, welches die in F i g. 7 dargestellte
anschluß 108 ist geerdet. Der Eingangsanschluß 104 V-förmige Kennlinie besitzt. Das analoge Restist
über einen Abgleichwiderstand R 2 mit einer Be- signal EK wird aus dem Signal E0 erzeugt. Im einzelzugsspannungsquelle
verbunden. Zwischen dem Aus- 25 nen ist dabei der Ausgang 110 über eine Diode D3
gang 110 und dem Eingang 104 sind erste und zweite mit dem ersten Anschluß 130 eines Differential-Rückkopplungswege
vorgesehen. Im einzelnen ent- Verstärkers 132 verbunden. Der Anschluß 130 ist hält eine Rückkopplungsschleife die Diode Dl, die über einen relativ niederohmigen Widerstand R 5 mit
mit dem Widerstand R 3 in Reihe geschaltet ist. Eine Erde verbunden. Außerdem ist der Ausgang 110 über
zweite Rückkopplungsschleife enthält die Diode D 2, 30 die Diode D 4 und den Widerstand R 4 mit einem
die ebenfalls mit dem Widerstand R 3 in Reihe ge- zweiten Anschluß 134 des Differentialverstärkers 132
schaltet ist. Die Dioden D1 und D 2 sind entgegen- gekoppelt. Der Ausgang 136 des Verstärkers 132 ist
gesetzt gepolt und parallel geschaltet. mit dem Ausgang 102 der Stufe verbunden.
Der bisher beschriebene Teil der Schaltung von Beim Betrieb der Schaltung von F i g. 6 bewirkt
Fig. 6 spricht auf ein analoges Eingangssignal E1 an 35 der Differentialverstärker 132 bei positiven Werten
und erzeugt das digitale Ausgangssignal E0, so wie des Eingangssignals E0 keine Invertierung, bei negain
F i g. 7 gezeigt. Nimmt man an, daß die Schaltung tiven Werten des Signals E0 jedoch eine Invertierung,
von F i g. 6 der Stufe 1 entspricht, so wird das analoge Es sei angenommen, daß das Signal E0 positiv ist.
Eingangssignal E1 , von F i g. 2, Zeile (α), zum Ein- Dann ist die Diode D 3 in Durchlaßrichtung und die
gang 100 übertragen und das digitale Signal E0 v das 40 Diode D 4 in Sperrichtung vorgespannt. Die Rückin
Fig. 2, Zeile (b), gezeigt ist, am Ausgang 110 ab- kopplungsschleife über den Widerstand R6 ist daher
gegeben. geöffnet, und der Verstärker 132 stellt einen Ver-
Es sei angenommen, daß das Signal E1, so wie in stärker mit der Verstärkung 1 dar. Die erste Hälfte
Fig. 7 gezeigt, beispielsweise zwischen 0 und der V-förmigen Kennlinie des in Fig. 7 gezeigten
+ 8 Volt schwanken kann. Ferner sei angenommen, 45 Signals ER entspricht daher näherungsweise dem
daß die an den Abgleichwiderstand R 2 gelegte Be- positiven Ast der Kennlinie des Signals E0. Sind die
Dioden Dl und D 3 (und die Dioden D 2 und D 4) in geeigneter Weise angepaßt, so weist das Signal ER
keinen Einschnitt 120 wie das Signal E0 auf. Die An
zugsspannung etwa — 4 Volt beträgt. Entspricht nun das Signal E1 einer Spannung von 0 Volt, liefert der
Verstärker 106 eine Ausgangsspannung, die groß
genug ist, um einen Rückkopplungsstrom zu er- 50 passung der Dioden ist weniger kritisch, wenn die
Widerstände R3, R4 und R5 gleich groß gemacht
werden. Der resultierende Änpassungsgrad ist für jede Temperatur und für jeden Signalpegel ausreichend.
Ist das Signal E0 negativ, so wird die Diode D 3
in Sperrichtung und die Diode D 4 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Der Eingang 130 des Verstärkers
132 wird praktisch über den Widerstand R 5 geerdet, welcher im Vergleich zu dem sehr großen Ein-
zeugen, welcher die Spannungsdifferenz zwischen den
Anschlüssen 104 und 108 praktisch auf 0 reduziert.
Angenommen, die Rückkopplungsschleifenverstärkung des Verstärkers 106 hat den Wert 2, so wird am
Verstärkerausgang 110 eine Spannung von + 8 Volt 55
erzeugt. Entspricht andererseits das Eingangssignal E1
einer Spannung von + 8 Volt, liefert der Verstärker
106 ein negatives Ausgangssignal von — 8 Volt, um
die Eingangsspannungsdifferenz auf den Wert 0 zu
reduzieren. Es kann außerdem angenommen werden, 60 gangswiderstand des Verstärkers 132 einen relativ daß bei einem Pegel von etwa +4 Volt des analogen kleinen Widerstandswert besitzt. Der Widerstand R 5 Eingangssignals der Verstärker 106 am Ausgang schließt den Anschluß 130 demnach praktisch mit näherungsweise eine Spannung mit dem Wert 0 ab- Erde kurz. Dementsprechend fließt vom Verstärkergibt, ausgang 136 ein Rückkopplungsstrom zum Eingangs-Es sei darauf hingewiesen, daß das am Ausgang 65 anschluß 134, durch welchen dieser auf Erdpotential 110 abgegebene und in Fig. 7 dargestellte digitale gehalten wird.
Anschlüssen 104 und 108 praktisch auf 0 reduziert.
Angenommen, die Rückkopplungsschleifenverstärkung des Verstärkers 106 hat den Wert 2, so wird am
Verstärkerausgang 110 eine Spannung von + 8 Volt 55
erzeugt. Entspricht andererseits das Eingangssignal E1
einer Spannung von + 8 Volt, liefert der Verstärker
106 ein negatives Ausgangssignal von — 8 Volt, um
die Eingangsspannungsdifferenz auf den Wert 0 zu
reduzieren. Es kann außerdem angenommen werden, 60 gangswiderstand des Verstärkers 132 einen relativ daß bei einem Pegel von etwa +4 Volt des analogen kleinen Widerstandswert besitzt. Der Widerstand R 5 Eingangssignals der Verstärker 106 am Ausgang schließt den Anschluß 130 demnach praktisch mit näherungsweise eine Spannung mit dem Wert 0 ab- Erde kurz. Dementsprechend fließt vom Verstärkergibt, ausgang 136 ein Rückkopplungsstrom zum Eingangs-Es sei darauf hingewiesen, daß das am Ausgang 65 anschluß 134, durch welchen dieser auf Erdpotential 110 abgegebene und in Fig. 7 dargestellte digitale gehalten wird.
Ausgangssignal E0 nicht genau linear ist, sondern Aus den obigen Erläuterungen dieser Erfindung
einen Einschnitt 120 aufweist. Dieser Einschnitt ist geht hervor, daß ein verbesserter Analog-Digital-
109 518/328
Umsetzer geschaffen worden ist, der analoge Eingangssignale in zyklisch-binär codierte Ausgangssignale
umformt, sehr stabil ist, sehr schnell anspricht und eine digitale Auflösung in nahezu jedem
gewünschten Auflösungsgrad erzeugen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung werden
mehrere in Kaskade geschaltete Stufen verwendet Jede Stufe liefert ein digitales Ausgangssignal und
ein Rest-Ausgangssignal, das zur folgenden Stufe übertragen wird. Die Rest-Ausgangssignale werden
vorzugsweise in jeder Stufe normiert, so daß alle Stufen identisch aufgebaut werden können. Jede
Stufe enthält einen Differentialverstärker, welcher Signale, die oberhalb der Bereichsmitte liegen, invertiert
und welcher Signale, die unterhalb der Bereichsmitte liegen, nicht invertiert.
Claims (3)
1. Umsetzerstufe für eine Einrichtung zum Umsetzen von Analogsignalen in nach dem Gray-Code
verschlüsselte Binärsignale, bestehend aus einer eine V-förmige Übertragungskennlinie aufweisende
Verstärkerschaltung mit einem Analogsignaleingang, einem Digitalsignalausgang zum
Ableiten eines vom Pegel des am Analogsignaleingang anliegenden analogen Eingangssignals
abhängigen Binärsignals und mit einem Analogsignalausgang, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstärkerschaltung einen Differentialverstärker (132) enthält, von dem der eine Eingang
(130) über eine niederohmige Impedanz (R 5) mit einer Bezugspotentialquelle und über
einen Richtleiter (D 3) mit dem Analogsignaleingang verbunden ist, während der andere Eingang
(134) über einen entgegengesetzt gepolten Richtleiter (D 4) mit dem Analogsignaleingang in
Verbindung steht und der den Analogsignalausgang (102) der Umsetzerstufe darstellende
Ausgang (136) des Differentialverstärkers zum anderen Eingang (134) rückgekoppelt ist.
2. Umsetzerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Richtleitern
(D 3 und D 4) und dem Analogsignaleingang (100) ein Verstärker (106) geschaltet ist, dessen Ausgang
(110) über eine Parallelschaltung entgegengesetzt gepolter Richtleiter (D 1, D 2) zu seinem
Eingang rückgekoppelt ist.
3. Umsetzerstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (104) des Verstärkers
(106) über einen Stellwiderstand (R2) mit einer Bezugspotentialquelle in Verbindung
steht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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- 1968-06-11 DE DE19681762407 patent/DE1762407B1/de not_active Withdrawn
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E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |