DE1909032B2 - Analog-Digitalwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digitalwandler mit zwei oder auch mehreren Schaltausgängen, die auf unterschiedliche Schwellspannungen ansprechen und beim Überschreiten ihrer Schwellspannungen durch die analoge Eingangsgröße Gleichspannungssignale als digitale Größe abgeben.

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Schaltung, der in der digitalen Schaltungstechnik große B jdeutung zukommt. Ihrer Funktion nach weist sie einen Eingang für die analoge Eingangsgröße sowie zumindest zwei Ausgänge auf, an denen Gleichspannungssignale cbgegeben werden. Je nach dem speziellen Aufbau des Analog-Digitalwandlers, wie ihn die vorliegende Erfindung betrifft, ist nun jeweils einer bestimmten Amplitude des Eingangssignals ein Ausgangssignal an einem bestimmten Signalausgang zugeordnet, oder es können, was im allgemeinen wesentlich zweckmäßiger ist, jeweils zwei oder auch mehrere Ausgänge gleichzeitig Gleichspanniingssignale abgeben, wobei dann eine bestimmte Größe der analogen Eingangsspannung jeweils durch eine bestimmte Kombination von signalführenden Ausgängen repräsentiert wird.

Es liegt nun in der Natur der digitalen Datenübertragung, daß nicht jeder möglichen Amplitude der analogen Eingangsgrößs auch ein gesondertes digitales Ausgangssignal zugeordnet sein kann. Vielmehr muß sich das analoge Eingangssignal zunächst innerhalb eines bestimmten Spannungsbereiches ändern, bevor sich diese Änderung in einer Veränderung der digitalen Ausgangsgröße niederschlägt. Die Spannungswerte am Eingang, bei denen nun jeweils eine Änderung des Ausgangssignals erfolgt, stellen die o. a. Spannungsschwellen dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugru.ide, einen Analog-Digitalwandler anzugeben, der in einfacher Weise integrierbar ist und bei dem ein eingegebener Analogwert schnell und mit großer Genauigkeit in einen Digitalwert umgewandelt wird. Zur I ösung dieser Aufgabe wird bei einem Analog-Digitalwandler der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß zumindest die einem Ausgang zugeordnete Spannungsschwelle sich gleichsinnig zur Amplitudenänderung des analogen Eingangssignals zwischen einem unteren und einem oberen Wen verändert und jeweils dann, wenn ihr Sollwert von dem analogen Eingangssi gnal erreicht wird, gegenläufig zur Amplitudenänderung des Eingangssignals sprungartig zwischen den beiden Schwellwerten wechselt.

Durch die Zeitschrift »IRE Transactions on Instrumentation« VoL PG1-5, Juni 1956, Figur 1 mit der dazugehörigen Beschreibung, ist die Kaskadierung von Analog-Digital-Umsetzern bekannt. Bei der bekannten Kaskadenschaltung wird zunächst ein Analogsignal grob digitalisiert, dann wird vom Analogsignal der dem erzeugten Digitalsignal entsprechende Analogwert abgezogen und das daraus resultierende Differenzsignal zur Verfeinerung des Digitalwertes digitalisiert Bei der bekannten Anordnung wirkt jedoch das verfeinerte Digitalsignal nicht auf das Grob-Digitalsignal zurück.

Bei einem Ansteigen der Amplitude der analogen Eingangsgröße wird bei den Analog-Digitalwandlern gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest die eine Spannungsschwelle auf den oberen Wert angehoben. Wie die Beschreibung von speziellen Ausführungsformen der Erfindung noch zeigen wird, kann die Spannungsschwelle gleichsinnig mit dem Wachsen der analogen Eingangsgröße beispielsweise schrittweise auf den oberen Schwellwert angehoben werden. Die Spannungsschwelle wird hierbei somit treppenförmig zu höheren Werten hin verschoben. Andererseits ist es aber auch möglich, daß das Anheben der Spannungsschwelle mit dem Wachsen der analogen Eingangsgröße sprungartig erfolgt.

Gleichgültig, welchen zeitlichen Verlauf nun die Änderung der Spannungsschwelle auch aufweist, in jedem Fall springt die Spannungsschwelle in dem Augenblick, in dem die Eingangsspannung den Sollwert dieser Spannungsschwelle erreicht, gegensinnig zum Amplitudenverlauf der analogen Eingangsspannung von dem oberen auf den unteren Schwellwert. Andererseits wird bei einer Abnahme der Amplitude der analogen Eingangsgröße die Schwellspannung auf einen unteren Schwellwert abgelenkt, was dann beispielsweise wieder schrittweise oder sprungartig erfolgen kann. Wird nun die analoge Eingangsgröße gleich dem Sollwert der Spannungsschwelle, so wird diese dann gegenläufig zum Amplitudenverlauf des analogen Eingangssignales sprungartig von dem unteren auf den oberen Schwellwert angehoben.

In den meisten Fällen besteht der Analog-Digitalwandler gemäß der Erfindung zumindest aus zwei Schaltgruppen, die ihrerseits wiederum mit jeweils wenigstens zwei Schaltstufen aufgebaut sind. Die Ausgänge der Schaltstufen bilden dabei die Ausgänge des erfindungsgemäßen Analog-Digitalwandlers. Jede Schaltstufe besitzt neben dem erwähnten Ausgang noch jeweils zwei Steuereingänge, von denen der eine mit der analogen Eingangsgröße und der andere mit einer die Spannungsschwelle des jeweiligen Ausgangs bestimmenden Vorspannung beaufschlagt wird. Selbstverständlich ist es nicht erforderlich, da3 das analoge Eingangssignal jeder Schaltstufe in gleicher Größe zugeführt wird. So ist z. B. je nach speziellem Aufbau der Schaltung durchaus denkbar, daß beispielsweise das Eingangssignal zur Ansteuerung der Schaltstufen einer Schaltgruppe zunächst um einen bestimmten Faktor verkleinert oder verstärkt wird, während es der anderen Schaltgruppe unverändert zugeführt wird. Ferner ist es durchaus möglich, daß von dem analogen Eingangssignal zunächst ein bestimmter Spannungsbetrag subtrahiert wird und dann das auf diese Weise verkleinerte Signal an eine Schaltgruppe weitergeleitet wird.

Die Schaltstufen sind nun derart aufgebaut und so miteinander verbunden, daß jeweils am Ausgang derjenigen Schaitstufe ein Gleichspannungssignal entsteht, bei der die Amnlitudendifferenz zwischen dem

analogen Eingangssignal und der sich von Schaltstufe zu Schaltstufe um einen bestimmten Betrag erhöhenden Vorspannung Null oder nahezu Null ist. Um nun einen Analog-Digitalwandler zu erhalten, der mit einer verhältnismäßig geringen Zahl von Schaltstufen eine möglichst genaue Wiedergabe der analogen Eingangsgröße durch das digitale Ausgangssignal ermöglicht, sind die beiden Schaltgruppen derart miteinander gekoppelt, daß jede Schaltgruppe an einem Ausgang ein Gleichspannungssignal abgibt, daß ferner beim Anwachsen der analogen Eingangsgröße zunächst bei der ersten Schaltgruppe das abgegebene Gleichspannungssignal von Ausgang zu Ausgang weitergereicht wird und dann, wenn es beim weiteren Anwachsen der analogen Ausgangsgröße auch im Ausgang der mit der höchsten Vorspannung beaufschlagten Schaltstufe abgeschaltet wird, wieder am Ausgang der mit der niedrigsten Vorspannung beaufschlagten Schaltstufe abgeschaltet wird, und daß dabei gleichzeitig das Ausgangssignal der zweiten Schaltgruppe von einem Ausgang auf den der nächsthöheren Vorspannung zugeordneten Ausgang wechselt. Es versteht sich, daß andererseits bei einer Abnahme der Amplitude der analogen Ausgangsgröße das Gleichspannungssignal bei dieser Ausführungsform der Erfindung wiederum zunächst bei der ersten Schaltgruppe von Ausgang zu Ausgang weitergereicht wird, jedoch in umgekehrter Richtung, und zwar von dem der höchsten Vorspannung zugeordneten Ausgang zu dem der niedrigsten Vorspannung zugeordneten Ausgang. Wird nun bei weiterem Absinken der analogen Eingangsgröße das Gleichspannungssignal auch von dem der niedrigsten Vorspannung zugeordneten Ausgang abgeschaltet, so erscheint es wieder am Ausgang derjenigen Schaltstufe, die mit der höchsten Vorspannung beaufschlagt wird. Dabei wird dann gleichzeitig in der zweiten Schaltgruppe das Ausgangssignal von einem Ausgang auf denjenigen Ausgang weilergereicht, dem die nächstkleinere Vorspannung zugeordnet ist. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind außerdem Mittel vorgesehen, die aus den Kleinspannungen an den Signalausgängen der ersten Schaltgruppe ein Hilfssignal ableiten, mit dem dann die Vorspannungen der zweiten Schaltgruppe zwischen einem oberen und einem unteren Wert verändert werden.

Weist nun jede Schaltgruppe eine Vielzahl von Schaltstufen auf, so wird beispielsweise bei einer Schaltgruppe ein Teil dieser Stufen mit ihren Ausgängen mit den Eingängen eines UND-Gatters verbunden und dann das von diesem UND-Gatter abgegebene Signal als Hilfssignal verwendet Dabei wird am zweckmäßigsten so verfahren, daß ab einer bestimmten Schaltstufe alle nachfolgenden Schaltstufen mit höherer Vorspannung an den Eingängen des UND-Gatters liegen, wobei dann beispielsweise die Hälfte aller Schaltstufen der ersten Schaltgruppe mit den Eingängen des UND-Gatters verbunden sind.

Das am Ausgang des UND-Gatters entstehende Hilfssignal weist bei Veränderungen der analogen Eingangsgröße einen impulsförmigen Verlauf auf. Es eignet sich daher zur Steuerung der Vorspannung der zweiten Schaltstufe in der Art, daß sich diese Vorspannungen und damit auch die dieser Schaltstufe zugeordneten Spannungsschwellen, wie oben zum Ausdruck gebracht, gleichläufig mit den Amplitudenänderungen des analogen Eingangssignals sprungartig zwischen dem oberen und unteren Wert verändern. Eine andere Art, das Hilfssignal zu gewinnen, besteht darin, daß jeder Ausgang einer Schaltstufe über einen Vorwiderstand an einem für sämtliche Schaltstufen gemeinsamen Arbeitswiderstand angeschlossen ist, an dem dann das Hilfssignal entsteht. Die Vorwiderstände '. sind dabei so gewählt, daß ihre Widerstandswerte mit wachsender Vorspannung der Schaltstufen abnehmen. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß sich beim Ändern der Amplitude des analogen Eingangssignales und den damit verbundenen Sprüngen der Gleichspan-

K) nungssignale von Ausgang zu Ausgang am gemeinsamen Arbeitswiderstand ein Hilfssignal mit einem treppenförmigen Verlauf entsteht. Das so gewonnene Hilfssignal eignet sich dann zur Steuerung der Vorspannungen der zweiten Schaltstufe in der Art, daß

is sich diese Vorspannungen und auch die dieser Schaltstufe zugeordneten Spannungsschwellen, wie oben beschrieben, gleichsinnig mit den Amplitudenänderungen der analogen Eingangsgröße treppenförmig zwischen einem oberen und einem unteren Wert

2« verändern.

Zur Gewinnung der Vorspannungen ist zumindest parallel zur zweiten Schaltgruppe ein Spannungsteiler mit einer Vielzahl von Abgriffen vorgesehen. Jeder dieser Abgriffe ist dabei so mit einer Schaltstufe

r> verbunden, daß die zwischen dem Spannungsteilerfußpunkt und diesen Abgriffen liegenden Spannungen den Schaltstufen als Vorspannungen zugeführt werden. Durch ein in den Spannungsteiler einbezogenes und von dem Hilfssignal angesteuerten Bauelement, das bei-

i» spielsweise von einem Transistor gebildet wird, werden dann die Vorspannungen mit Hilfe des Hilfssignals verändert. Um nun die Spannungsbeträge, um die sich die Vorspannungen ändern, für alle Stufen gleich groß zu halten, ist dieser Spannungsteiler dabei zweckmäßigerweise so aufgebaut, daß die Spannungen, die zwischen den Abgriffen liegen, unbeeinflußt von dem Hilfssignal sind und nur die Spannungen zwischen den Abgriffen und dem Spannungsteilerfußpunkt durch das Hilfssignal verändert werden können. Dies läßt sich

■"> beispielsweise dadurch erreichen, daß der Spannungsteiler unter Verwendung von Zenerdioden derart aufgebaut wird, daß jeweils zwischen den Abgriffen einer Zenerdiode liegt, an der dann der Spannungsbetrag abfällt, um den sich die Vorspannungen von Stufe

⁴^ zu Stufe erhöhen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, diesen Spannungsteiler vollständig mit Widerständen aufzubauen und dann zwischen den Fußpunkt dieses rein ohmschen Spannungsteilers und dem ersten Abgriff einen Transistor einzubeziehen. Diesem ersten

⁵⁽¹ Transistor wird dann ein konstantes Gleichspannungssignal als Steuersignal zugeführt, so daß er für einen konstanten Stromfluß durch die Spannungsteiler sorgt. An den Widerständen des Spannungsteilers und damit auch zwischen den einzelnen Abgriffen entstehen auf diese Weise konstante Spannungen. Variiert in ihrer Größe werden die von diesem mit einer Gleichspannung beaufschlagten Spannungsteiler abgegebenen Vorspannungen durch einen zweiten Transistor, der dem Teil dieses Spannungsteilers parallelgeschaltet ist, der keinem Eingang der Schaltstufe parallelliegt und der dann entsprechend der Größe des seiner Steuerelektrode zugeführten Hilfssignals diesen Teil des Spannungsteilers mehr oder weniger stark überbrückt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der zwischen dem Fußpunkt des Spannungsteilers und dessen ersten Abgriff liegende Transistor von dem Hilfssignal angesteuert und ändert auf diese Weise die von dem Spannungsteiler abgegebenen Vorspannun-

gen. Am Spannungsteilerhochpunkt ist in diesem Fall der Ausgang eines zweiten Transistors angeschlossen, der mit einer konstanten Steuerspannung beaufschlagt wird und der dann einen konstanten Strom durch den Spannungsteiler liefert, so daß an den Widerständen zwischen den einzelnen Abgriffen konstante, von dem Hilfssignal nicht beeinflußte Spannungen entstehen. Besonders vorteilhaft ist es, bei dem erfindungsgemäßen Analog-Digitalwandler durch schaltungstechnische Maßnahmen dafür zu sorgen, daß die Werte, die die Spannungsschwellen bzw. Vorspannungen nach ihrer sprungartigen, gegenläufig zu den Amplitudenänderungen der analogen Eingangsgröße verlaufenden Änderung einnehmen, zumindest so lange festgehalten werden, bis sich die der geänderten Eingangsgröße is entsprechenden Ausgangssignale eingestellt haben.

Die vorliegende Erfindung wird im weiteren anhand der Fig. 1 bis 6 in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild für eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Analog-Digitalwandlers. Er besteht aus zwei Schaltgruppen 1 und 2, von denen jede eine Vielzahl von Ausgängen 3 bzw. 4 aufweist. Die Schaltgruppen bestehen dabei beispielsweise aus den oben beschriebenen Schaltstufen, mit jeweils zwei Eingängen, von denen jeweils der eine mit einer sich von Schaltstufe zu Schaltstufe um einen bestimmten Betrag erhöhenden Vorspannung und der andere mit der an der Eingangsklemme 5 der dargestellten Schaltung zugeführten analogen Eingangsgröße beaufschlagt wird. Bei der gewählten Darstellung gelangt das analoge Eingangssignal direkt an den Eingang der Schaltstufe 1, während es der Schaltstufe 2 über das Schaltungsteil 6 zugeführt wird. Die Schaltgruppen 1 und 2 sind dabei so aufgebaut, daß jede Schaltgruppe jeweils an einem Ausgang ein Gleichspannungssignal abgibt und beispielsweise bei einem Anwachsen der Amplitude der analogen Eingangsgröße das Gleichspannungssignal zunächst in der Schaltgruppe 2 von Ausgang zu Ausgang weiterge- ⁴" reicht wird. Ist nun der oberste Ausgang 4.1, dem auch die höchste Vorspannung zugeordnet sein soll, erreicht, so springt das Ausgangssignal bei weiterem Anwachsen der analogen Eingangsgröße auf den unteren Ausgang 4.2 dieser Schaltgruppe, dem die niedrigste Vergleichsspannung zugeordnet ist. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal in der Schaltgruppe 1 von einem Ausgang auf den benachbarten Ausgang, dem eine höhere Vorspannung zugeordnet ist, weitergereicht Bei einem Abfall der analogen Eingangsgröße spielen sich die Vorgänge in umgekehrter Richtung ab. Zunächst wird in der Schaltstufe 2 das Ausgangssignal vom oberen Ausgang 4.1 zum unteren Ausgang 4.2 wechseln. Anschließend erfolgt dann bei weiterem Abfall der analogen Eingangsgröße der Signalwechsel vom Ausgang 4.2 auf den Ausgang 4.1 bei gleichzeitigem Wechsel des Signals in der Schaltgruppe 1 von einem Ausgang auf den benachbarten Ausgang, dem eine niedrigere Vorspannung zugeordnet ist

Damit nun das Springen der Ausgangssignale in der Schaltgruppe 1 zum richtigen Zeitpunkt erfolgt ist bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Betrag, um den sich die Spannungen in dieser Schaltgruppe von Schaltstufe zu Schaltstufe erhöhen, beispielsweise so groß gewählt, daß das Eingangssignal um sich um ^e5 diesen Betrag zu ändern, zumindest so weit ansteigen bzw. abfallen muß, bis sämtliche Ausgänge der Schaltgruppe 2 nacheinander Gleichspannungssignale abgegeben haben. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Wechseln der Signale an den Ausgängen der Schaltgruppe 1 zum richtigen Zeitpunkt dadurch sichergestellt, daß zwar beide Schaltgruppen 1 und 2 identisch aufgebaut sind und mit den gleichen Vorspannungen beaufschlagt werden, jedoch das analoge Eingangssignal der Schaltgruppe 1 durch einen Spannungsteiler abgeschwächt zugeführt wird. Der Faktor, um den das analoge Eingangssignal durch diesen Spannungsteiler verkleinert wird, ist so gewählt, daß das Eingangssignal wiederum zunächst so weit ansteigen bzw. abfallen muß, bis sämtliche Ausgänge der Schaltgruppe 2 nacheinander Signale abgegeben haben, damit sich die der Schaltgruppe 1 zugeführte verkleinerte Eingangsspannung um den Spannungsbetrag ändert, um den sich die Vorspannungen dieser Schaltgruppe von Schaltstufe zu Schaltstufe unterscheiden.

Das direkte Umschalten der Signale zwischen dem unteren und oberen Ausgang 4.1 bzw. 4.2 der Schaltgruppe 2 bei einem Signalwechsel in der Schaltgruppe 1 erfolgt durch ein von dieser Schaltgruppe abgegebenes Signal, durch das in dem Schaltungsteil

6 die analoge Eingangsgröße bei jedem Wechsel des Gleichspannungssignals von einem Ausgang der Schaltgruppe 1 auf einen benachbarten Ausgang mit höherer oder niedrigerer Vorspannung um einen Spannungsbetrag verkleinert bzw. vergrößert wird, der der Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Vorspannung in der ersten Schaltstufe entspricht

Wie die F i g. 1 zeigt, ist nun zumindest ein Teil der Ausgänge der Schaltgruppe 2 mit dem Schaltungsteil 7 verbunden. Mit den unterbrochenen, zum Schaltungsteil

7 führenden Linien soll angedeutet, werden, daß nicht sämtliche Ausgänge der Schaltgruppe 2 mit dem Schaltungsteil 7 verbunden sein müssen. Der Schaltungsteil 7 erzeugt nun in Abhängigkeit von den Signalen an diesen Ausgängen und damit auch in Abhängigkeit von den Änderungen der analogen Eingangsgröße ein Hilfssignal, das der Schaltgruppe 1 zugeführt wird und dort die den erfindungsgemäßen Analog-Digitalwandler kennzeichnenden Änderungen der Vorspannungen erzeugt

In den F i g. 2a und 2b ist der zeitliche Verlauf der Vorspannungen 8 und 9 für zwei benachbarte Schaltstufen der Schaltgruppe 1 dargestellt Außerdem ist in beiden Figuren eine stetig anwachsende Spannung 10 eingetragen, die die analoge Eingangsgröße darstellen soll. Für die F i g. 2a wurde angenommen, daß sich die Vorspannungen 8 und 9 rechteckförmig verändern, während sie sich in der F i g. 2b treppenförmig zwischen ihrem oberen und unteren Wert verändern. Mit unterbrochenen Linien sind in beiden Figuren die Sollwerte der Vorspannungen angegeben. Der Spannungsbetrag, um den sich die Vorspannungen 8 und 9 jeweils unterscheiden, ist mit U bezeichnet In beiden Figuren erfolgt in der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten f gleichsinnig mit dem Wachsen der analogen Eingangsgröße eine Anhebung der Vorspannung von ihrem unteren Wert auf den oberen Wert Im Zeitpunkt U in dem die Größe der Eingangsspannung jeweils den Sollwert einer der Vorspannungen 8 und 9 erreicht springen die Vorspannungen dann gegenläufig von ihrem oberen auf ihren unteren Wert, um dann bei weiterem Anwachsen der Spannung 10 wieder sprungartig oder in einem treppenförmigen Verlauf erneut dem oberen Wert zuzustreben. Die Verhältnisse, die sich bei einer Abnahme der Eingangsspannung 10

ίο

ergeben, lassen sich ebenfalls aus den F i g. 2a und 2b herleiten, und zwar dann, wenn man die Richtung der Zeitachse umdreht. In dem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t nehmen in diesem Fall die Vorspannungen gleichsinnig mit der Eingangsspannung 10 ab und ändern sich jeweils in dem Zeitpunkt t sprungartig und gegenläufig zur Spannung czwischen ihrem unteren und oberen Wert.

Die Fig.3 zeigt noch einmal ein vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Analog-Digitalwandlers, wie er im Zusammenhang mit der F i g. 1 beschrieben wurde, jedoch ist in dieser Fig.3 der Schaltungsteil 6 detailliert wiedergegeben. Der Schaltungsteil 6, der, wie beschrieben, das der Schaltgruppe 2 zugeführte Eingangssignal abhängig von dem Schaltzustand der Schaltgruppe 1, d. h. in Abhängigkeit davon, welcher der Ausgänge 3 dieser Schaltgruppe gerade ein Signal führt, um einen bestimmten Spannungsbetrag reduziert, besteht im wesentlichen aus mehreren in Serie geschalteten Zenerdioden. Die Zahl der Zenerdioden ist dabei gleich der Anzahl der Signalausgänge 3 der Schaltgruppe 1. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß anstelle der Zenerdioden auch andere als Konstantstromquelle geeignete Schaltungen bzw. Bauelemente vorgesehen werden können, die dann derart vor den Eingang der Schaltstufe 2 angeordnet werden, daß sich die von ihnen gelieferten Gleichspannungen von dem analogen Eingangssignal subtrahieren lassen. Parallel zu den Zenerdioden sind Transistoren 12 derart angeordnet, daß je nach Schaltzustand der Schaltgruppe 1 mehr oder weniger dieser Zenerdioden durch die mit ihren Basisanschlüssen an den Ausgängen 3 der Schaltgruppe 1 liegenden Transistoren 12 überbrückt werden. leder dieser Transistoren 12 befindet sich dann dabei im leitenden Zustand, wenn der ihm zugeordnete Ausgang 3 aufgrund der Amplitude des analogen Eingangssignals ein Gleichspannungssignal führt. Wie der F i g. 3 zu entnehmen ist, werden bei einem Gleichspannungssignal an dem untersten Ausgang 3.1, dem auch die niedrigste Vorspannung zugeordnet sein soll, sämtliche Zenerdioden durch die leitende Kollektor-Emitierstrecke eines Transistors !2 überbrückt Wechselt nun das Ausgangssignal mit steigender Amplitude des analogen Eingangssignals jeweils von einem Ausgang 3 zum benachbarten Ausgang 3 mit der nächst höheren Vorspannung, so erhöht sich bei jedem Wechsel die Zahl der vor dem Eingang der Schsltgruppe 2 liegenden, in Serie geschalteten Zenerdioden um eine derartige Diode, bis schließlich, wenn infolge der wachsenden analogen Eingangsspannung das Ausgangssignal auch von dem obersten Ausgang 3.2, dem die höchste Vorspannung zugeordnet sein soll, wieder abgeschaltet wird, sämtliche Dioden in Serie vor dem Eingang der Schaltstufe 2 liegen.

In der Fig.4 ist die praktische Ausführung einer Schaltgruppe dargestellt, die sich in vorteilhafter Weise für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Analog-Digital wandler eignet Jede Schaltstufe wird bei der dargestellten Schaltgruppe von einem Differenzverstärker gebildet, der mit den Transistoren 13 und 14 aufgebaut ist Den Steuerelek^roden der Transistoren 13 wird dabei über Entkopplungswiderstände 15 die analoge Eingangsgröße zugeführt, während die Transistoren 14 an ihren Steuerelektroden mit den die Spannungsschweilen bestimmenden Vorspannungen beaufschlagt werden. Diese Vorspannungen werden von einem mit den Widerständen 16 aufgebauten Spannungsteiler geliefert, der der gezeigten Schaltgruppe parallelliegt. Die Zahl der als Schaltstufen fungierenden Differenzverstärker ist der Übersichtlichkeit halber auf drei beschränkt worden, sie kann jedoch je nach Anwendungsfall selbstverständlich auch wesentlich $ höher gewählt werden. In Serie mit den als Kaskade geschalteten Differenzverstärkern liegt ein Transistor 17, der mit einer konstanten Vorspannung beaufschlagt einen konstanten Strom an die Differenzverstärker abgibt und in seinem Emitterstromkreis zur Arbeitspunktstabilisierung einen Widerstand 18 aufweist. Der von dem Transistor 17 gelieferte Strom erzeugt an den in den Ausgangskreisen der Differenzverstärker liegenden Lastwiderständen die das analoge Eingangssignal repräsentierenden Ausgleichsspannungen. Zur Span-

is nungsversorgung sind die Spannungen Ub \ und Ua ι vorgesehen, die beide auf Massepotential bezogen sind, an dem auch die Basis des Transistors 17 angeschlossen ist. Die Arbeitsweise der gezeigten Schaltung läßt sich folgendermaßen erläutern.

Über den mit den Widerständen 16 aufgebauten Spannungsteiler liegt an jedem der Transistoren 14 eine feste Vorspannung, die sich von Differenzverstärker zu Differenzverstärker um den jeweils an den Spannungsteilerwiderständen 16 abfallenden Spannungsbetrag erhöht. Ist nun beispielsweise das den Transistoren 13 zugeführte analoge Eingangssignal in der Amplitude kleiner als die Vorspannung, die am Transistor 14 des ersten, direkt mit dem Transistor 17 verbundenen Differenzverstärkers liegt, so ist der Transistor 14 dieses Verstärkers leitend, während sich der Transistor 13 im gesperrten Zustand befindet. Das von dem Transistor 17 gelieferte Stromsignal gelangt über den Transistor 14 an den Ausgang 19 und erzeugt an dem an diesem Ausgang liegenden Arbeitswiderstand ein Gleichspannungssignal. Liegt nun andererseits die Amplitude der analogen Eingangsgröße über der dem ersten Differenzverstärker zugeführten Vorspannung, so ist der Transistor 14 dieses Verstärkers gesperrt, während sich der Transistor 13 im leitenden Zustand befindet. Der dem Transistor 17 gelieferte Strom fließt dann über diesen leitenden Transistor 13 an den zweiten, dem ersten nachgeschalteten Differenzverstärker. Auch bei diesem gelten wiederum die gleichen Bedingungen wie bei dem ersten Differenzverstärker. Ist die Amplitude des analogen Eingangssignals kleiner als die Vorspannung, so ist der Transistor 14 leitend und der Strom gelangt an den Ausgang 20. Liegt die Amplitude des analogen Eingangssignals jedoch über der Vorspannung, so ist wiederum der Transistor 13 leitend, über den dann der

so vom Transistor 17 gelieferte Strom an den dritten Differenzverstärker weitergereicht wird. Auch in diesem erfolgt dann wiederum der Vergleich der Vorspannung mit der analogen Eingangsgröße und die beschriebene Steuerung der Transistoren 13 und 14. Es

ss sei noch darauf hingewiesen, daß die dargestellte Schaltgruppe im allgemeinen bei einer Verwendung in einem Analog-Dgitalwandler gemäß der vorliegenden Erfindung einiger Ergänzungen bedarf. So wird beispielsweise vor allem die Zahl der Schaltstufen gegenüber der in der Fig.4 gezeigten Schaltung wesentlich erhöht Außerdem sind bei der Schaltung, die die Funktion der in der Fig. 1 und 2 mit der der Ziffer »1« bezeichneten Schaltgruppe übernehmen soll, in dem mit den Widerständen 16 aufgebauten Spannungsteiler die o.a. Transistoren vorgesehen, die dann die Veränderung der Vorspannungen dieser Schaltgruppe in Abhängigkeit von der analogen Eingangsgröße ermöglichen. " "■■

In den Fig.5 und 6 sind nun zwei mögliche Ausführungsformen für den Schaltungsteil 7 dargestellt, der das Hilfssignal variierender Vorspannungen der Schaltgruppe 1 abgibt. In beiden gezeigten Schaltungen sind außerdem Mittel vorgesehen, durch die die Werte, die die Vorspannungen nach ihrer sprungartigen, gegensinnig zum Amplitudenverlauf der analogen Eingangsgröße verlaufenden Änderung aufweisen, zumindest so lange festgehalten werden, bis sich die der geänderten Eingangsgröße entsprechenden Ausgangssignale eingestellt haben.

Bei der in der F i g. 5 dargestellten Schaltung sind die Ausgänge 4 der Schaltgruppe 2 teilweise über Dioden 21 an einem gemeinsamen Arbeitswiderstand 22 angeschlossen. Dem Ausgang 4.1 sei auch hier wiederum die höchste Vorspannung und dem Ausgang 4.2 die niedrigste Vorspannung dieser Schaltgruppe zugeordnet Auffallend ist bei dieser Schaltung, daß ab einem bestimmten Ausgang 4 sämtliche Ausgänge, denen höhere Vorspannungen zugeordnet sind, an den Arbeitswiderstand 22 angeschlossen sind, und daß außerdem der Ausgang 4.2, dem die niedrigste Vorspannung zugeordnet ist, ebenfalls über eine Diode 21 an dem Widerstand 22 liegt. Die Dioden 21 bilden zusammen mit dem Widerstand 22 ein UND-Gatter mit einer Vielzahl von Eingängen, das immer dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn einer dieser Eingänge ein Eingangssignal aufweist.

Parallel zu dem Widerstand 22 liegt die Steuerstrecke eines Transistors 23, der in einem Kollektorstromkreis einen Arbeitswiderstand 24 aufweist. Dem Transistor 23 sind zwei Verstärkerstufen nachgeschaltet, die mit den Transistoren 25 und 26 aufgebaut sind und bei denen jeweils parallel zur Basis-Emitterstrecke eines Transistors ein Widerstand 27 und in Serie mit der Basis eine Diode 28 vorgesehen ist. Über diese Diode sind die Basisanschlüsse der Transistoren 25 und 26 jeweils mit dem Ausgang einer vorausgehenden Stufe verbunden. Der Transistor 26 überbrückt mit seiner Kollektor-Emitterstrecke einen Teil des mit den Widerständen 16 aufgebauten Spannungsteilers, der die Vorspannungen für die Schaltstufen der Schaltgruppe 1 liefert.

Führt nun einer der mit dem UND-Gatter verbundenen Ausgänge 4 ein Gleichspannungssignal, so wird der Transistor 23 durchgesteuert und der Transistor 25 abgeschaltet Bei gesperrtem Transistor 25 ist nun wiederum der Transistor 26 leitend, durch dessen Kollektor-Emitterstrecke dann der Widerstand 16 des Spannungsteilers kurzgeschlossen wird. Führt andererseits keiner der an das UND-Gatter angeschlossenen Ausgänge 4 ein Gleichspannungssignal, so ist der Transistor 26 gesperrt und der ihm parallelliegende Widerstand 16 wirksam. Auf diese Weise werden, bedingt durch den Schaltzustand des Transistors 26, die von dem Spannungsteiler abgegebenen Vorspannungen zwischen einem unteren und einem oberen Wert verändert Zwischen dem Spannungsteilerfußpunkt, der zugleich dem Massepotential entspricht und dem ersten Abgriff 29, ist ein Transistor 20 vorgesehen, der einen Emitterwiderstand zur Arbeitspunktstabilisierung aufweist Dieser Transistor 30 wird mit einer konstanten Gleichspannung Ub 3 beaufschlagt Dieser Transistor liefert dann einen konstanten Strom durch den Spannungsteiler, so daß an den Widerständen 16 Spannungen abfallen, die unabhängig von dem jeweiligen Schaltzustand des Transistors 26 sind. Die Änderungen der Spannungen zwischen dem Kollektor des Transistors 30 und dem Massepotential, die beim Schalten des Transistors 26 zwischen dem gesperrten und leitenden Zustand auftreten, werden auf diese Weise sämtliche dem Spannungsteiler entnommenen Vorspannungen in gleicher Größe überlagert.

Durch eine geeignete Dimensionierung der Widerstände 27 sowie der in den Kollektorkreisen der Transistoren 23 und 25 liegenden Widerständen 24 bzw. 32 läßt sich erreichen, daß jeweils bei einer Änderung des am Widerstand 22 liegenden Signals eine Übersteuerung einer der beiden Transistoren 25 und 26 eintritt und auf diese Weise der sich eingestellte Schaltzustand des Transistors 26 unabhängig von den Signalen an den Ausgängen 4 für eine gewisse Zeit beibehalten wird, und zwar so lange, bis sich nach dem durch die Änderung der analogen Eingangsgröße hervorgerufenen Signalwechse! an den Ausgängen der Schaltgruppe 1 auch das Ausgangssignal der Schaltgruppe 2 der geänderten analogen Eingangsspannung entsprechend neu eingestellt hat.

Bei der in der F i g. 6 gezeigten Schaltung sind sämtliche Ausgänge 4 der Schaltgruppe 2 mit Ausnahme des Ausgangs 4.2, dem die niedrigste Vorspannung zugeordnet ist, über Dioden 33 und Vorwiderstände 34 mit einem gemeinsamen Arbeitswiderstand 35 verbunden. Die Widerstandswerte der Widerstände 34 sind dabei beispielsweise so gewählt, daß sie von den Ausgängen, denen niedrige Vorspannungen zugeordnet sind, zu den Ausgängen hin, denen hohe Vorspannungen zugeordnet sind, stetig zunehmen.

Das am Widerstand 35 entstehende Hilfssignal dient zur Steuerung des Transistors 36, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors 37 verbunden ist, in den die Vorspannungen für die Schaltgruppe 1 liefernden Spannungsteiler einbezogen ist. Der Hochpunkt dieses mit den Widerständen 16 aufgebauten Spannungsteilers ist mit dem Kollektor eines Transistors 38 verbunden, der einen Emitterwiderstand 39 zur Arbeitspunktstabilisation aufweist und mit einer konstanten Vorspannung beaufschlagt an den Spannungsteiler einen konstanten Strom abgibt.

Während sich nun bei dem in der Fig.5 gezeigten Analog-Digitalwandler gemäß der vorliegenden Erfindung, bedingt durch den sprungartigen Verlauf des Hilfssignals am Widerstand 22, auch die Vorspannungen in der Schaltgruppe 1 sprungartig verändern, wie dies beispielsweise in der F i g. 2a dargestellt ist, weist das am Widerstand 35 der Schaltung entstehende Hilfssignal bei einer Änderung der analogen Eingangsgröße einen treppenförmigen Verlauf auf, wodurch sich dann für die Vorspannungsänderungen in der Schaltgruppe 1 der in der F i g. 2b gezeigte zeitliche Verlauf ergibt

Zumindest die Schaltgruppe 2 besteht bei dem in der F i g. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Analog-Digitalwandlers, -wie in dieser Figur angedeutet aus den in Kaskade geschalteten Differenzverstärkern, die im Zusammenhang mit der Fig.4 beschrieben wurden. Die Kollektoren der Transistoren 14 bilden dabei die Ausgänge 4 dieser Schaltgruppe. Der Kollektor des Transistors 13 des mit der höchsten Vorspannung beaufschlagten Differenzverstärkers ist an die Basis eines Transistors 40 angeschlossen, dessen Kollektor-Emitterstrecke parallel zum Widerstand 35 liegt. In dem Augenblick nun, in dem bei steigendem analogen Eingangssignal das Gleichspannungssignal auch von dem Ausgang des obersten Differenzverstärkers wieder abgeschaltet wird, wird der Transistor 13 dieses Verstärkers leitend. Mit dem Transistor 13 geht auch der Transistor 40 in den leitenden Zustand über

und schließt mit seiner leiterden Kollektor-Emitterstrecke den Widerstand 35 kurz, so daß sich für das am Widerstand 35 liegende Hilfssignal der Wert Null einstellt Es ist nun möglich, die Schaltung derart auszulegen, daß bei leitendem Transistor 13 der Transistor 40 derart übersteuert wird, daß seine Abschaltverzögerung größer ist als diejenige Zeit die benötigt wird, damit sich die Signale an den Ausgängen der Schaltgruppen 1 und 2 der geänderten analogen Eingangsspannung entsprechend neu einstellen können.

Der Ausgang des der niedrigsten Vorspannung zugeordneten Differenzverstärkers ist mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers verbunden, der mit den Transistoren 41 und 42 sowie den dazugehörigen Widerständen aufgebaut ist Am Ausgang dieses Schmitt-Triggers liegt ein Verstärkertransistor 43, der mit seinem Kollektor über einen Widerstand 44 an die Basis des Transistors 37 angeschlossen ist

In dem Augenblick nun, in dem bei einer entsprechenden Größe des analogen Eingangssignals auch die der niedrigsten Vorspannung zugeordnete Schaltstufe der Schaltgruppe 2 ein Gleichspannungssignal abgibt, steuert der Schmitt-Trigger den Transistor 43 durch.

Über den mit den Widerständen 44 und 45 aufgebauter Spannungsteiler stellt sich dann an der Basis de: Transistors 37 eine Gleichspannung ein, durch die dei Transistor 43 gesperrt wird, so daß die Vorspannungen die von dem mit den Widerständen 16 aufgebauten Spannungsteiler abgegeben werden, ihren oberen Wert annehmen.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß bei den in den F i g. 5 und 6 gezeigten Analog-Digitalwand lern gemäß der Erfindung die beiden Schaltgruppen 1 und 2 derart aufgebaut sind und vor allem auch die Vorspannungen dieser Schaltgruppen so gewählt sind, daß der Signalwechsel an den Ausgängen 3 der Schaltgruppe 1 jeweils dann erfolgt, wenn mit steigendem Eingangssignal das bereits an dem der höchsten Vorspannung zugeordneten Ausgang 4.1 der Schaltgruppe 2 liegende Gleichspannungssignal wieder von diesem Ausgang abgeschaltet wird, oder wenn bei fallendem Eingangssignal das Gleichspannungssignal in der Schaltgruppe 2 von dem der zweitniedrigsten Vorspannung zugeordneten Ausgang auf den der niedrigsten Vorspannung zugeführten Ausgang springt

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Analog-Digital wandler mit zwei oder auch mehreren Signalausgängen, die auf unterschiedliche Spannungsschwellen ansprechen und die beim Überschreiten ihrer Spannungsschwellen durch das analoge Eingangssignal Gleichspannungssignale als digitale Größe abgeben, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die einem Ausgang zugeordnete Spannungsschwelle sich gleichsinnig zur Amplitudenänderung des analogen Eingangssignals zwischen einem unteren und e:nem oberen Wert verändert und jeweils dann, wenn ihr Sollwert von dem analogen Eingangssignal erreicht wird, gegenläufig zur Amplitudenänderung des Eingangssignals sprungartig zwischen den beiden Schwellwerten wechselt

2. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Schaltgruppen mit jeweils zumindest zwei Schaltstufen vorgesehen sind, deren Ausgänge die Signalausgänge bilden, daß jede Schaltgruppe neben diesem Ausgang zwei Steuereingänge besitzt, von denen der eine mit dem analogen Eingangssignal und der andere mit einer die Spannungsschwelle bestimmenden Vorspannung beaufschlagt wird, daß die einzelnen Schaltstufen derart aufgebaut und miteinander verbunden sind, daß jeweils am Ausgang derjenigen Schaltstufe ein Gleichspannungssignal entsteht, bei der die Amplitudendifferenz zwischen dem analogen Eingangssignal und der sich von Schaltstufe zu Schaltstufe um einen bestimmten Betrag erhöhenden Vorspannung Null oder doch nahezu gleich Null ist, daß ferner die beiden Schaltgruppen derart miteinander gekoppelt sind, daß beim Anwachsen des analogen Eingangssignals zunächst bei der ersten Schaltgruppe das abgegebene Gleichspannungssignal von Ausgang zu Ausgang weitergereicht wird und dann, wenn es bei weiterem Ansteigen des Eingangssignals auch von dem Ausgang der der höchsten Vorspannung zugeordneten Schaltstufe wieder abgeschaltet wird, wieder an dem der niedrigsten Vorspannung zugeordneten Ausgang erscheint, wobei gleichzeitig das Gleichspannungssignal in der zweiten Schaltgruppe von einem Ausgang auf den der nächsthöheren Vorspannung zugeordneten Ausgang weitergereicht wird, und daß Mittel vorgesehen sind, die aus den Gleichspannungen an den Signalausgängen der ersten Schaltgruppe ein Hilfssignal ableiten, die die Vorspannungen der zweiten Schaltgruppe verändern.

3. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die erste Schaltgruppe eine Vielzahl von Schaltstufen aufweist, und daß ein Teil dieser Schaltstufen mit ihren Ausgängen an den Eingängen eines UND-Gatters liegt, dessen Ausgangssignal als Hilfssignal verwendet wird.

4. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ab einer bestimmten Schaltstufe alle nachfolgenden Schaltstufen mit höheren Vorspannungen an den Eingängen des UND-Gatters liegen.

5. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß etwa die Hälfte aller Schaltstufen mit ihren Ausgängen an den Eingängen des UND-Gatters liegen.

6. Analog-Digitalwandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Ausgang der mit der niedrigsten Vorspannung beaufschlagten Schaltstufe der mit einem Eingang

τ des UND-Gatters verbunden ist

7. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die erste Schaltgruppe eine Vielzahl von Schaltstufen aufweist, daß die Ausgänge dieser Stufen über jeweils einen Vorwiderstand an einem gemeinsamen Arbeitswiderstand angeschlossen sind an dem das Hilfssignal entnommen wird, und daß die Widerstandswerte dieser Vorwiderstände von Ausgang zu Ausgang mit wachsender Vorspannung abnehmen.

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8. Analog-Digitalwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest parallel zur zweiten Schaltgruppe ein Spannungsteiler mit einer Vielzahl von Abgriffen vorgesehen ist, daß jeder dieser Abgriffe so mit einer

2« Schaltstufe verbunden ist, daß die zwischen dem Spannungsteilerfußpunkt und diesen Abgriffen liegenden Spannungen den Schaltstufen als Vorspannung zugeführt werden, und daß der Spannungsteiler derart aufgebaut ist, daß die Spannungen

2^r> zwischen den Abgriffen unbeeinflußt vom Hilfssignal bleiben, während die Spannungen zwischen dem Fußpunkt und den Abgriffen durch ein in den Spannungsteiler einbezogene und vom Hilfssignal angesteuertes steuerbares Bauelement, beispielswei-

ii) se einen Transistor, variiert werden.

9. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein ohmscher Spannungsteiler vorgesehen ist, in dem zwischen dessen Fußpunkt und dem ersten Abgriff ein Transistor

Ji vorgesehen ist, der einen konstanten Strom durch den Spannungsteiler liefert, und daß demjenigen Teil des Spannungsteilers, der keinem Ausgang einer Schaltstufe parallelliegt, ein zweiter Transistor parallelgeschaltet ist, der vom Hilfssignal ange-

⁴⁽¹ steuert die Größe der von dem Spannungsteiler angegebenen Vorspannung verändert.

10. Analog-Digitalwandlei' nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein ohmscher Spannungsteiler vorgesehen ist, daß in diesen Spannungs-

^4<i teiler zwischen Fußpunkt und dem ersten Abgriff ein Transistor mit einbezogen ist, der von dem Hilfssignal angesteuert wird, und daß der Hochpunkt des Spannungsteilers an dem Ausgang eines zweiten Transistors liegt, der einen konstanten Strom durch

^Γ)(ι den Spannungsteiler liefert.

11. Analog-Digitalwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die die Spannungswerte, die die Spannungsschwellen bzw.

¹^ Vorspannungen nach ihrer sprungartigen gegenläufig zu den Amplitudenänderungen des analogen Eingangssignals verlaufenden Änderungen einnehmen, zumindest so lange festgehalten werden, bis sich die dem geänderten Eingangssignal entspre-

^h(l chenden Ausgangssignale eingestellt haben.

12. Analog-Digitalwandler nach den Ansprüchen 7, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der der niedrigsten Vorspannung zugeordnete Ausgang der ersten Schaltgruppe am Eingang eines Schmitt-Trig-

^hr> gcrs angeschlossen ist, und daß dieser Schmitt-Trigger derart aufgebaut und mit seinem Ausgang an die Steuerelektrode des Transistors angeschlossen ist, der am FuQpunkt des Spannungsteilers parallel zur

zweiten Schaltgruppe liegt, daß bei einem Gleichspannungssignal an dem der niedrigsten Vorspannung zugeordneten Ausgang der ersten Schaltgruppe die Vorspannungen der zweiten Schaltgruppe gesteuert durch das vom Schmitt-Trigger abgegebe- ί ne Signal auf ihren oberen Wert ongehoben werden.

13. Analog-Digitalwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem gemeinsamen Arbeitswidersta.>d, an den die Ausgänge der ersten Schaltgruppe über m Vorwiierstände angeschlossen sind, ein Transistor liegt, der beim Überschreiten der höchsten Vorspannung durch die an den Eingängen der ersten Schaltgruppe liegende analoge Signalspannung bis in den Übersteuerungsbereich hinein durchgesteuert ι > wird und den Arbeitswiderstand kurzschließt.