DE1930275A1

DE1930275A1 - Analog-Digital-Wandler

Info

Publication number: DE1930275A1
Application number: DE19691930275
Authority: DE
Inventors: Frei Armin Heinz
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-06-20
Filing date: 1969-06-13
Publication date: 1970-02-12
Also published as: DE1930275B2; SE350889B; DE1930275C3; NL6905591A; CH484562A; FR2011257A1; GB1257722A; BE731722A; FR2011257B1; US3701148A; ES368545A1

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Hauptverwaltung 7032 Sindelfingen Post/ach 66

Böblingen, 9. Juni 1969 gg-gⁿ

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket SZ 967 010

Analog-Digital-Wandler

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler zur iterativen Bestimmung des Binärwertes von analogen Spannungsimpulsen.

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Analoge Darstellung ist dio natürliche Form der Erfassung beliebiger Vorgänge in der gesamten Technik. Die Verarbeitung der ermittelten Werte aber erfolgt sehr oft vorteilhafter in » digitaler Form." Die Zahl der Anwendungsmöglichkeiten für

ff'

die Umwandlung von Analog- zu Digital-Darstellung kennt daher keine Grenzen. Solche Wandler sind in der gesamten Elektronik anzutreffen, besonders dort, wo anfallende Information nur m'ittelbar einem Zweck dienlich gemacht werden kann. Vor allem im Gebiet der Prozessteuerung, der Informations- und der Nachrichtentechnik werden immer mehr Analog-Digital-Wandler benötigt. Dies ist eine Folge der Vorteile, welche die Uebermittlung, Verarbeitung und Speicherung von Daten in digitaler Form bieten.

Die in der Technik bekannt gewordenen Analog-Digital-Wandler arbeiten generell nach folgendem Prinzip. Die vorhandenen W Analogwerte werden zu bestimmten Zeiten abgetastet und für die

Weiterverwendung gespeichert. Ansrchiiessend werden diese Abtastwerte beispielsweise durch Vergleich mit Bezugsgrössen mehrfach gemessen, um die zugehörigen Digitalwerte zu ermitteln. Letztere können direkt oder nach Zwischenspeicherung der Weiterverwendung zugeführt werden. Da sich der Mess Vorgang für jeden Abtastwert wiederholt, ist bei grosser Analogbandbreite der Wunsch nach hoher Arbeitsgeschwindigkeit verständlich.

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Jede der jgcmuamimlem Eimzcloperationen kann mit sehr verschiedenartigen SdhaltteleiHwemtteHa ausgeführt werden. Die Erfahrung lehrt, dass vor allteima aktive Elemente wie Verstärker, Impedanzwandler und rückgekoppelte Ssdhaltangen dem raschen Arbeiten eine Grenze 5CtSCSI- Bailer äst «üb v<ram grQSKfr Wichtigkeit, aur Erhöhung der Arbeitsjgesclfowimdlijgkeit aiiif aktive Schaltelemente soweit als möglich zu verziclateim iniimel mmr «Sie schnellsten unter ihnen zu verwenden. Gleiclnzeitijg mmnass alber auch das Umwandlungsverfahren auf seine EigiMung Mmsäclatläcla !holier Arbeitsgeschwindigkeit erprobt sein. Je wemmgei· veirketttette EimÄelschrittc zur Gesamtoperation einer Analog-Düjgüttal-Waimdflttamig gehören, umso besser eignet sich ein Verfalhnrem ίΰτ scSamellles Arbeiten.

Die QaialittStt «äter erzieltem Resultate hängt ebenfalls eng mit der Art der veTwemdctem Scltaaltelemente und deren Anzahl zusammen. Einfaclae Sclkalttuaimg «umdl Vermeiden aktiver Elemente bieten beste Gcwäiur ffiir SaesSac Cäenmaiaigkeit. Es wird dadurch nicht nur unerwünschte ZeltlverzSgersmg vermieden, sondern auch eine allfällige QualitättsciimlbTBisse,,beispielsweise wegen Impulsverformung, kann auf eim Miümdfcsainmasss eiiageschränkt werden. Mit den bekannten \Varadleinm ist es mlclklt äiminnier gelungen, die erwähnten Nachteile zu vermrädciiii. Meisteims lag das daran, dass die Um Wandlung sverialarem inaff«Bll|;e. imumerer Verkettung der Operationen für hohe

«umgeeignct oder z.B. wegen vorkommender

analoger AA&uersclhailfLiiDmgeini zu ungenau waren.

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-3- BADOR.GINAL

Die vorliegende Erfindung verfolgt daher den Zweck, einen Analog-Digital-Wandler aufzuzeigen, der geeignet ist, einen grossen Informationsfluss zu verarbeiten. Das angewandte Umwandlungsverfahren soll dank seiner Einfachheit hohe·Arbeitsgeschwindigkeit gewährleisten.

Durch Auswahl geeigneter Schaltelemente soll die Arbeitsgeschwindigkeit des Wandlers derart gesteigert werden, dass er dank seiner Breitband-Charakteristik zur Verarbeitung von Signalen im.Gebiet der Mikrowellen verwendet werden kann.

Ausserdem soll der erfindungsgemässe Wandler dank der gewählten Betriebsbedingungen und bei sehr hoher Arbeitsgeschwindigkeit ein grosses Auflösevermögen erreichen und dieses mit guter Konstanz beibehalten. Die Qualität der Umwandlung soll damit höchste Ansprüche erfüllen.

Ferner soll durch Wahl der geeigneten Schaltung ein Wandler entstehen, der mindestens teilweise integriert hergestellt werden kann. Dadurch sollen nebst besten Eigenschaften ausserordentlich niedrige Herstellungskosten erzeilt werden.

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Die genannten Ziele lassen sich mit einem Analog-Digital-Wandler erreichen dessen Kennzeichnen sind:

eine der Binärstellenzahl. η entsprechende Anzahl Messchaltungen mit Digitalausgang, denen jeder Analogimpuls der Reihe nach zugeführt wird,

η Messleitungen zwecks Zufuhr von Messimpulsen zu den Messchaltungen,

der Umstand, dass jede Messchaltung ihrer Ordnungszahl entsprechend an die erste, bzw. an die zwei ersten, usw. , bzw. an alle Messleitungen angeschlossen ist.

Insbesondere ist der Wandler' dadurch gekennzeichnet,

dass jede Messleitung mit normierten Messimpulsen beschickt wird und

dass das Eintreffen der Messimpulse an den Messchaltungen. mit demjenigen der Analogimpulse synchronisiert wird.

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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich durch eine Übertragungsleitung (Lo). an welche die Mes schaltungen in Abständen einer bestimmten Impulslaufzeit (/£») entsprechend angeschlossen sind und die der-Zufuhr der Analogimpulse (u) dient.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich durch Mittel (S, bis S_n_j) in jeder Messleitung ausser der letzten (Lj bis L- j), die je über eine Steuerleitung mit dem Digitalausgang der Messschaltung gleicher Ordnungszahl (Dj bis D, ) verbunden sind und die Weiterleitung von Energie auf der betreffenden Messleitung bis L_n-J) unterbinden können.

Weitere Ausgestaltungen bestehen nacheinander darin, dass die Übertragungsleitung (Lo) über einen gesteuerten Abtast schalt er (Sq) direkt mit einer Anschlussklemme (A) für Analog spannung verbunden und am anderen Ende mit dem passenden Wellenwiderstand (Zo) abgeschlossen ist, dass die Messleitungen (Lj bis L) unter Wahrung ihrer Anpassung einzeln an einen Impulsgenerator (PG) angeschlossen und am anderen Ende mit dem richtigen Wellenwider-

stand (Zq) abgeschlossen sind, dass der Prüfschalter (Sq) wie auch der Impulsgenerator (PG) direkt mit einem Taktgeber (C) verbunden sind, dass die Mes schaltungen je aus einer Tunneldiode (TD) bestehen, welche mit ihrer Anode über Widerstände (R, bzw. Rj) , an die Übertragungs- bzw. die Messleitungen (L~ bis L_n) und mit der Kathode an Masse d. h. Erdpotential angeschlossen sind, dass

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die Mittel in den Messleitungen (L, bis L ) Kurzschlus schalter

L· H™· X

(S₁ bis S .) sind, welche jeweils hinter dem ersten aber nicht ι n-1

weiter weg als beim zweiten Messanschluss, vom Anfang einer Messleitung her gesehen, eingefügt sind, dass die Kurzschlus schalter (S- bis S ) in einer Brückenschaltung aus vier Schottky-Dioden bestehen, dass die Messimpulse (U₁ bis U ) entsprechend der Ordnungszahl der Messleitung, auf der sie laufen, normiert sind nach der Beziehung:

u = l/2ⁿ · I · R₁ , η ' pi

dass ein Taktgeber (C) sowohl die Bildung der analogen Spannungsimpulse (u) steuert als auch Impulse zwecks Ableitung der normierten Messimpulse (u bis u ) liefert, dass jede der Messchaltungen auf die Summe der ihr in Impulsform zugeführten Energie anspricht und an ihrem Digitalausgang (D bis D ) eine binäre "1" anzeigt, wenn die Energie einen Schwellwert überschreitet, dass durch das Auftreten einer binären "1" am Digitalausgang einer Messchaltung Mittel (S₁

bis S ,) in den Messleitungen (L, bis L ) derart gesteuert werden, n-1 1 n-1

dass sie die Weite«rleitung des an der Bildung dieser "1" mitbeteiligten Messimpulses gleicher Ordnungszahl unterbinden, dass beim Auftreten einer binären ¹¹I" an einem der Digitalausgänge (D bis D ) die Messleitung gleicher Ordnungszahl durch das eingefügte Mittel kurzgeschlossen und dadurch der an der Bildung dieser binären "1"

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Docket SZ 967 010

mitbeteiligte Messimpuls auf dieser Leitung total reflektiert wird, dass die binären Daten an den Digitalausgängen (D bis D ) direkt seriell abgegriffen werden, wobei die Frequenz (f ) des Taktgebers

(C) höchstens gleich 1 ist und dass die Frequenz (f ) des

η . 1? ^s

Taktgebers (C) höher als 1 gewählt wird, so dass die digi-

n.r

talen Darstellungen benachbarter, umzuwandelnder Analogimpulse sich zeitlich überlappen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Analog-Digital-Wandlers in allen Einzelheiten beschrieben. Dieser Erläuterung dienen auch die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ausführung sbeispiels der Erfindung. Fig. 2 stellt dar, wie durch Falten der Leitung L_n die

Messtellen 1 bis 3 zusammengerückt werden können.

" Fig. 3 ist die schematische Darstellung eines Kurzschluss

schalters S für Messleitungen mit der zugehörigen η

Steuerung.

Das in der Fig.. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Analog-Digital-Wandler s umfasst an der linken Seite die Elektronik zur Erzeugung . ' der Impulse. Sie wird gesteuert durch den Taktgeber C. Sein Ausgang mit der Impulsfolgefrequenz f ist an den Abtastschalter S

S w

und an einen Impulsgenerator PG angeschlossen. Der

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Abtastschalter S verbindet.die Anschlussklemme A für Analogspannung mit einer Uebertragungsleitung L , deren Ende rechts korrekt mit dem ihr eigenen Wellenwiderstand Z abgeschlossen ist.

Der Impulsgenerator PG besitzt eine Anzahl Ausgänge, die je an eine Messleitung angeschlossen sind. In der .schematischen Darstellung sind drei Ausgänge mit den Messleitung L , L und L gezeigt. Letztere können gleicher Art sein wie die bereits genannte Uebertragungsleitung L" . Sowohl beim Anschluss an den Impulsgenerator, als auch am Ende sind diese Messleitungen daher mit dem passenden Wellenwiderstand Z abgeschlossen. Im Gegensatz zur Leitung L besitzt jede der Mess leitungen einen der Kurzschlusschalter S bis S . Wie später zu erklären sein '

¹³ I

wird, sind diese Schalter dazu bestimmt, unter gewissen Bedingungen und an einer bestimmten Stelle die entsprechende Messleitung kurz zu schliess.en.

Auf der Leitung L befinden sich in regelmässigen Abständen Messtellen, welche mit Ziffern bezeichnet sind. Die Anzahl der Messtellen hängt von der gewünschten Genauigkeit der digitalen Darstellung ab. Für jede Messteile wird eine am Impulsgenerator PG angeschlossene Messleitung benötigt. In der Zeichnung sind ' die Messtellen 1 bis 3 angeschrieben, welchen die bereits genannten

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drei Messleitungen L. bis L entsprechen. Jede einzelne Messtelle ist über einen Widerstand R mit der Anode einer Tunneldiode T¹D verbunden. Die Kathoden aller Tunneldioden führen an die gemeinsame Masse oder auf Erdpotential. Alle Tunneldioden sind vom gleichen Typ und haben einen sogenannten Höcker strom I . *

An der Anode jeder Tunneldiode TD sind ein oder mehrere weitere Widerstände R angeschlossen. Die Anzahl der angeschlossenen Widerstände R entspricht der Ordnungszahl der mit der betreffenden Tunneldiode verbundenen Messteile. So ist bei der Mes-

stelle 1 nur ein Widerstand R mit der zugehörigen Tunneldiode TD verbunden. Das andere Ende dieses Widerstandes führt zu einem Punkt auf der Messleitung L., der vom Anfang derselben soweit entfernt ist, dass ein Impuls bis dahin dieselbe Laufzeit braucht wie vom Anfang der Leitung L an bis zur Messtelle 1. Bei der Messtelle 2 sind jedoch zwei Widerstände R vorhanden. Von der Anode der entsprechenden Tunneldiode TD führt der eine zu einem Anschlusspunkt auf der Messleitung L₁ und der andere zu einem solchen auf der Messleitung L . Beide Anschlusspunkte sind vom Anfang ihrer Leitungen soweit entfernt, dass Impulse dorthin dieselbe Laufzeit benötigen wie vom Anfang der Ueber- ^ tragungsleitung L an bis zur Messtelle 2. Die Messleitung L. trägt nun bereits zwei Anschlüsse, deren zeitlicher Abstand demjenigen der Me&stellen 1 und 2 auf der Uebertragungsleitung L-entspricht.

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Bei der Messtelle 3 wiederholt sich die Schaltung von Messteile Z, Dazu kommt aber noch ein dritter Widerstand R , der von der Anode der Tunneldiode TD zu einem Anschlusspunkt auf der Messleitung L- führt. Auch dieser Anschluss liegt vom Anfang der Leitung L, zeitlich gleich weit entfernt, wie die Messtelle 3 vom Anfang der Leitung L_. Die Anschlusspunkte auf den Messleitungen L. - L liegen also zeitlich jeweils genau unter den Messteilen auf der Uebertragungsleitung L . Auch die gegenseitigen Laufzeit-Abstande sind auf den Messleitungen dieselben wie die entsprechenden Abstände auf der Leitung L-.

Vom Impulsgenerator PG aus gesehen folgt in jeder Messleitung in gewissem Abstand nach dem ersten Anschluss eines Widerstandes R₁ einer der mit S. bis S, bezeichneten Kurzschlusschalter. Jeder Kurzschlusschalter wird vom Potential an der Anode einer zugehörigen Tunneldiode gesteuert, wie dies gestrichelt angedeutet ist. ■Die Anode jeder Tunneldiode ist nämlich noch mit einem der entsprechenden Anschlüsse D. bis D verbunden, an welchem die Anodenspannung de,r Tunneldiode abgegriffen werden kann. Im Ruhezustand ist das Potential aller Anschlüsse D. bis D gleich Null und die Kurzschlusschalter S. bis S- sind offen. Tritt an einem der Anschlüsse D. bis D ein positives Potential in Erscheinung, dann wird der entsprechende Kurzschlusschalter geschlossen.

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"" X L* ■"■

Die Schaltung nach der Fig. 1 arbeitet wie folgt. Von einer an die Klemme A gelegten Analogspannung gelangen über den Abtastschalter S. Spannungsimpulse u im Rythmus der Taktfrequenz f auf die Uebertragungsleitung L . Diese wandern in Pfeilrichtung mit einer der Leitung L eigenen Geschwindigkeit ν zum rechten Ende und werden dort im Abschlusswiderstand schliesslich vernichtet. Mit dem gleichen Rythmus erzeugt der Impulsgenerator PG vom Taktgeber C gesteuert auf jeder der vorhandenen Messleitungen einen Messimpuls u bis u . Die Messimpulse laufen synchron mit dem Analogimpuls u entlang den Leitungen nach rechts, denn auf allen Leitungen L_ bis L haben die Impulse gleiche Laufzeiten.

Der hier dargestellte Analog-Digital-Wandler ist für eine grösste Analogspannung u . = U = I -R ausgelegt. Höhere Spannungswerte können nicht mehr in entsprechende Digitalwerte umgesetzt werden. Der Impulsgenerator PG erzeugt deshalb normierte Messimpulse d.h. solche mit einer ganz bestimmten Spannungsamplitude. Der erste dieser Impulse istu. = V2 I · R, , der zweite

P . ^l .

u = V4 I · R , usw. Bei einer Mess.tellenzahl η mit ebensovielen Messleitungen wäre der n-te Messimpuls u ^ Vzⁿ · I - ' R". Nach Ablauf einer gewissen Zeit gelangt der Analogimpuls u zur Messtelle 1 auf der Uebertragungsleitung L-. Gleichzeitig erreicht der Messimpuls u. den ersten Anschlusspunkt eines Widerstandes R

's* 9-67-0)0 909887/1396

auf der Messleitung L.. Unter dem Einfluss dieser zwei Spannungswerte fliesst durch die angeschlossene Tunneldiode TD ein Strom —- + I/2 I . Wenn dieser Strom den Wert I des Höckerstromes

Rp. P

überschreitet, dann schaltet die Tunneldiode zu einer höheren positiven Spannung um. An der Klemme D kann in diesem Fäll der Binärwert "1" abgegriffen werden. Wird aber der Höckerstrom I nicht erreicht, dann bleibt der Spannungswert an der Tunneldiode P. ' ;,

verhältnismässig klein, was einer binären "0" entspricht.

Von der Bildung des ersten Digitalwertes hängt aber die Steuerung des Kurzschlusschalters S₁ in der Messleitung L ab. Bei eindeutig positivem D. - entsprechend einer binären "I¹¹ - wird der Schalter S. geschlossen, so dass daran der an der Messtelle 1 bei der Bildung von D. mitbeteiligte'Messimpuls u total reflektiert wird. Er steht unter diesen Bedingungen auf der Leitung L. für weitere Messungen nicht mehr zur Verfügung. Im Gegensatz hierzu bleibt der Schalter S. offen, wenn am Digitalausgang D. eine binäre ¹¹O" erscheint, und der beteiligte Messimpuls u bleibt · auf der Messleitung L₁ während seiner Bewegung für weitere Messungen verfügbar. Von der Messtelle 1 laufen die Impulse inder Zeit *& zur Messtelle 2. Hatte jedoch D. eine binäre "1" angezeigt, so fehlt jetzt bei der zweiten Messung der betreffende Impuls U₁.

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Der Vorgang an der Messtelle 2 ist dem bereits beschriebenen völlig gleich. Nur der Strom, der durch die Tunneldiode TD fliesst, setzt sich jetzt anders zusammen. Er besteht aus drei Komponenten,

■h

2 4

"1" oder "0" eein kann, fällt die zweite Stromkomponente unter

nämlich: ~- + (1-D. )_£- + _P_ . Da der Binärfaktor D. entweder R 1 ο λ *

Umständen weg, wie dies vom Messimpuls u bereits gesagt worden ist. Wiederum hängt es von der-Umschaltung der zugehörigen Tunneldiode TD ab, ob an der Klemme D eine binäre "1" oder "0" abgegriffen werden kann und gleichzeitig ob der von da aus gesteuerte Kurzschlusschalter S geschlossen wird oder offen bleibt. Bei geschlossenem Schalter S würde diesmal der an der

■ La

Messtelle 2 mitbeteiligte Messimpuls u total reflektiert und damit

Ca .

aus den nächfolgenden Mess operationen verschwinden.

Von der Messtelle 2 an vergeht wieder die Zeit V bis die Impulse an der Messtelle 3 angelangt sind. Hier wird zum dritten Mal nach dem gleichen Verfahren ein weiterer Binärwert D ermittelt. Der Strom durch die Tunneldiode kann insgesamt vier Komponenten umfassen, wenn keiner der früheren Binärwerte "1" war. In der Schaltung nach Fig. 1 ist dies die letzte Messung und die an der Klemme D abgefühlte Spannung der letzte Digitalwert. Der Kurzschlusschalter S kann deshalb wegfallen. Wird aber höhere Genauigkeit oder besseres Auflösevermögen verlangt, dann können weitere Messtellen entlang der Uebertragungsleitung L·^ angelegt

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werden. Jede zusätzliche Messteile erheischt auch eine weitere Messleitung und eine Tunneldioden-Schaltung zur Ermittlung des zugehörigen Binarwertes. Die Grenze des Auflös eve rmög ens ist dann erreicht, wenn die letzte oder kleinste Messtufe in der Grösscnordnung der Toleranz liegt, mit welcher die Betriebsdaten der verwendeten Schaltelemente behaftet sind.

Die bisher anhand der Fig. 1 beschriebene Arbeitsweise bewirkt, dass die Binärwerte in der Reihenfolge ihrer Erzeugung d.h. seriell an den mit D bezeichneten Digitalausgängen angeboten werden. Dank der Schaltgeschwindigkeit der Tunneldioden ist die Verzögerung der Digitalanzeige gering. Im dargelegten Ausführungsbeispiel erscheinen die einzelnen Digitalwerte mit einem zeitlichen Abstand *ζ , Durch Zwischenspeicherung oder entsprechende Verzögerung der zuerst anfallenden Bits kann der ermittelte Digitalwert auch parallel abgenommen werden. Ein Analog-Digital-Wandler dieser Art mit η Messteilen ermittelt die η Bits seiner Digitalanzeige in der Zeit (n-l)'J'. Wird die Taktgeberfrequenz f = ~—~

s η · Q^

gewählt, dann ist die Umwandlung eines bestimmten Analogimpulses mit der η-ten Binärstelle beendet und im Zeitabstand "Z" davon wird· bereits die erste Binärstelle des nächsten Analogimpulses angezeigt.

Die Abtastfrequenz f des Wandlers kann aber weiter erhöht werden, wobei sich die Anzeigen der zu benachbarten Analogimpulsen gehörigen

sz 9-67-010 909887/1396.

Digitalwertc zeitlich überlappen. So wird z.B. , bei einer Taktgeberfrequenz f = ~ψ , das n-te Bit des ersten Analogimpulses gleichzeitig mit dem ersten Bit des n-ten Analogimpulses an verschiedenen Digitalausgängen erscheinen. In diesem Fall sind • in ein und demselben Moment η Digitalanzeigen abgreifbar, welche zur digitalen Darstellung von η verschiedenen Analogimpulsen gehören. Die höchste verwendbare Abtast- oder Impuls folge frequenz f kann aber noch wesentlich höher liegen, wie im folgenden erläutert

Massgebend für diese oberste Frequenzgrenze ist die Anstiegszeit der S ehalt funktion d«r Kurzschlusschalter S, bis S . Beispielsweise-

1 η

muss der Schalter S_ aus der Folge der'Messimpulse u jeweils einzelne Impulse durch Kurzschluss reflektieren, d.h. am Weiterlaufen hindern, und zwar jedesmal, wenn am Digitalausgang'D unter Mitwirkung der betreffenden Impulse u eine binäre "1" angezeigt wird. Die Packungsdichte der Messimpulse u_ kann also

Ct

beliebig gross gemacht werden, solange der Schalter S präzise genug arbeitet, um Einzelimpulse ohne Störung ihrer unmittelbaren Nachbarn zu reflektieren.

Um diesen Zweck zu erfüllen, muss aber der Schalter S auch an der richtigen Stelle in der Leitung L liegen. Jede Messchaltung mit Tunneldiode sowie der durch diese gesteuerte Kurzschlusschalter

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reagieren mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung. Die gesamte Verzögerungszeit vom Eintreffen der eine binäre "1" erzeugenden Impulse an der Messteile 2 bis zum wirksam gewordenen Kurzschluss im Schalter S sei mit Tr- bezeichnet. Der Schalter S

L· R Δ

muss nun von der Messtelle 2 im zeitlichen Abstand If stehen,

um den richtigen, an der betreffenden binären "1" beteiligten Messimpuls U zu reflektieren. Damit diese Bedingung nicht zu kritisch wird, kann beispielsweise die Schaltfunktion und damit die Dauer des Kurzschlusses künstlich verlängert werden.

Es ist aber zu bedenken, dass die reflektierten Impulse ihre Laufrichtung umkehren und der Leitung entlang zum Impulsgenerator PG zurücklaufen.. Ein reflektierter Impuls U passiert also die

Lt

Messtelle 2 auf dem Rückweg nocheinmal. Es muss daher verhindert werden, dass ein vorwärts und ein rückwärts laufender Impuls gleichzeitig eine Messtelle erreichen, denn deren Ueberlagerung würde eine falsche Anzeige an dieser Stelle verursachen. Die Bedingung lautet: 2^ ^ -z— , wobei m eine beliebige ganze Zahl ist. Da

R 1 _

der Kurzschluss des Schalters S verhindern soll, dass ein bestimmter Messimpuls u auf der Leitung L zu weiteren Messtellen gelangt, da-rf ausserdem die Verzögerung TT des Kurzschlusses nicht länger

sein als die Laufzeit eines. Impulses von einer Messtelle zur nächsten:

U ^~ ^O . Die zwei genannten Bedingungen sind wichtig, denn das R

korrekte Funktionieren des Wandler hängt von ihrer Erfüllung ab.

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Zur Verwirklichung eines Analog-Digital-Wandlers der hier beschriebenen Art sind noch folgende Ueberlegungen von Bedeu- " ■ tung. Die bei den Messtellen angeschlossenen Widerstände R.und R belasten natürlich die betreffende Leitung. Deshalb müssen sie verglichen mit dem Wellenwiderstand Z einen hohen Wert · haben.. Dadurch wird den Impulsen entlang den Leitungen nicht zuviel Energie entzogen und an den Messtellen praktisch keine Reflexion verursacht. Wenn nötig kann Inhomogenität der Leitungen · durch künstliche Belastung wieder ausgeglichen werden. Die Konstanz der Impuls spannungen entlang den Leitungen wird durch Wahl der geeigneten Leitungsparameter erhalten, weil andernfalls die Genauigkeit des Wandlers beeinträchtigt würde.

Die Kurzschlusschalter in den Messleitungen bilden ihrerseits mögliche Fehlerquellen. Damit ihr Durchgangswiderstand in geschlossenem Zustand das Umwandlungsergebnis nicht verschlechtert, muss er mindestens um den Faktor 2 kleiner als die Leitungsimpedanz sein. Diese Forderung ist im Vergleich mit denjenigen, welche bei gleicher Genauigkeit für andere'Wandlertypen aufgestellt werden müssen, verhältnismässig leicht zu erfüllen. Der vorliegende Analog-Digital-Wandler unterscheidet sich dadurch sehr vorteilhaft von solchen,'die nicht einfach ein Mindestmass sondern absolute Genauigkeit zur Durchführung der Umwandlung erfordern. Für die Kurzschlusschalter eignen sich beispielsweise Schottky-Dioden, welche später noch erwähnt werden.

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Die Eigenschaften der Leitungen L bis L spielen für die Qualität des Wandlers ebenfalls eine Rolle. Die nach neueren Verfahren hergestellten streifenförmigen, unter der Bezeichnung "microstrip" bekannt gewordenen Arten dürften sich hiefür eignen. Allföllige §trahlungsverluste können sowohl durch die Wahl passender Anschlusswiderstände (R, R) als auch durch Einstellen des Höckerstromes I

¹ . . P

ausgeglichen werden.

In der angewandten Technik von heute spielt die Packungsdichte bei elektronischen Geräten eine überaus wichtige Rolle. Der hier erläuterte Analog->Digital-Wandler lässt sich dank der Einfachheit seiner Schaltung auf kleinem Raum verwirklichen. Wie in Fig. 2 dargestellt, können beispielsweise die Messteilen 1 bis η durch Falten der Leitungen so zusammengerückt werden, dass auch die Messchaltungen mit den Tunneldioden nahe beieinander liegen. Der Herstellung derselben in integrierter Bauweise in einem einzigen Block sollte unter diesen Umständen kein Hindernis entgegenstehen. Durch Stapeln aller (n + I) Leitungen und Verwendung integrierter Schaltungen kann mit auFserordentlich kleinem Raumbedarf zur Ausführung dieses Wandlers gerechnet werden.

In der Fig. 3 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Kurzschluss chalters S für eine Messleitung L dargestellt. Er besteht η η

aus einer Brücke von vier Schottky-Dioden, deren eine Diagonale

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in der Messleitung L liegt und bei Stronvdurchgang den Kurz-

Schluss bewirkt. Die Steuerung der Diodenbrücke erfolgt von der Anode einer Tunneldiode TD aus über Kettenverstärker DA, deren Ausgangsspannung auf die zweite Diagonale gegeben wird. Die Kettenverstärker bilden eine zweistufige Kaskade zur Verwandlung des Datensignals an der Klemme D in eine symetrische Steuerspannung für den Schalter S . Der erste Verstärker DA, stellt eine-Phasenumkehrstufe ohne Verstärkung dar, während die Verstärker DA gemeinsam das Signal auf den notwendigen Pegel

zur Aussteuerung der Diodenbrücke bringen. Auch hier gilt, dass das Total der Reaktionszeit Tunneldiode - Verstärker - Schalter kleiner als oder höchstens gleich vzu sein hat.

Auf den erläuterten Analog-Digital-Wandler zurückblickend lässt sich feststellen, dass darin keinerlei statische Speicherung vorkommt. Dank der temporären dynamischen Speicherung auf einer Uebcrtragungsleitung kann ein grosser Informationsfluss bewältigt werden. Die Umwandlung erfolgt kontinuierlich und bei grosser Geschwindigkeit. Alle Srgnale im Wandler treffen nur auf passive Widerstände oder schnell-schaltende Halbleiterelemente, so dass kaum ein Mindestmass an Verzögerung auftritt. Die Güte des Analog-Digital-Wandlers wird nicht durch Verformung von Impulsen beeinträchtigt, weil letztere weder Verstarker, noch Rückkopplungsschaltungcn, noch Impedanzwandler durchlaufen müssen. Auch die.

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Erzeugung der Messimpulse bietet keine Schwierigkeit, da sie von einem einzigen Generator oder direkt vom Taktgeber abgeleitet und durch Dämpfungsglieder auf den gewünschten Pegelwert gebracht werden können. Nicht zuletzt lassen sich unerwünschte Reflexionen auf den Leitungen durch passenden Abschluss derselben und Kompensation von Inhomogenitäten vermeiden.

Die genannten Vorzüge bürgen für einen Analog-Digital-Wandler, der hohe Ansprüche bezüglich Qualität erfüllen kann. Er bietet ausgezeichnete Genauigkeit im Ergebnis dank der neuartigen Verwirklichung des gewählten Umwandlungsverfahrens. Diese, verbunden mit der hervorragenden Konstanz der Betriebsbedingungen, erlaubt ein ungewöhnlich hohes Auflösevermögen d. h. eine grosse Anzahl Bits pro Analog-Abtastwert. Durch die Einfachheit der Schaltung und deren Anordnung ist die Möglichkeit zur Herstellung in kompakter Bauweise gegeben, wodurch eine erhebliche Kostensenkung erreicht wird.

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Claims

patent Ansprüche

1.) Analog-Digital-Wandler zur iterativen Bestimmung des Binärwertes von analogen Spannungsimpulsen, gekennzeichnet durch eine der Binär stellenzahl η entsprechende Anzahl Me s schaltungen mit Digitalausgang, denen jeder Analogimpuls der Reihe nach zugeführt wird, und durch η Messleitungen zwecks Zufuhr von Messimpulsen ^ zu den Messchaltungen, wobei jede Messchaltung ihrer Ordnungszahl entsprechend an die erste, bzw. an die zwei ersten, usw. bzw. an alle Messleitungen angeschlossen ist.

2. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messleitung mit normierten Messimpulsen beschickt wird und dass das Eintreffen der Messimpulse an den Messchaltungen mit demjenigen der Analogimpulse synchronisiert wird.

fe

3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine Übertragungsleitung (L_), an welche die Messchaltungen in Abständen einer bestimmten Impulslaufzeit (^) entsprechend angeschlossen sind und die der Zufuhr der Analogimpulse (u) dient.

4. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (S bis S ) in jeder Messleitung ausser der letzten (L bis L ), die je über eine Steuerleitung mit dem Digitalausgang der Messchaltung gleicher Ordnungszahl (D bis D ) verbunden sind, und die

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Weiterleitung von Energie auf der betreffenden Messleitung (L₁ bis L ) unterbinden können.

5. Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsleitung (L ) über einen gesteuerten Abtastschalter (S ) direkt mit einer Anschlussklemme (A) für Analog spannung verbunden und am anderen Ende mit dem passfenden Wellenwiderstand (Z_n) abgeschlossen ist.

6. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messleitungen (L bis L ) unter Wahrung ihrer Anpassung einzeln an einen Impulsgenerator (PG) angeschlossen und am anderen Ende mit dem richtigen Wellenwiderstand (Z ) abgeschlossen sind.

7. Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfschalter (S ) wie auch der Impulsgenerator (PG) direkt mit einem Taktgeber (C) verbunden sind.

8. Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die M es schaltungen je aus einer Tunneldiode (TD) bestehen, welche mit ihrer Anode über Widerstände (R, bzw. R) an die Ubertragungs- bzw. die Messleitungen (L bis L ) und mit der Kathode an Masse d. h. Erdpotential angeschlossen sind.

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9. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel in-den Messleitungen (L bis L ) Kurzschlussschalter (S bis S ) sind, welche jeweils hinter dem ersten aber nicht weiter weg als beim, zweiten Messanschluss, vom Anfang
einer Messleitung her gesehen, eingefügt sind.

10. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusschalter (S bis S ) in einer Brückenschaltung aus vier Schottky-Dioden bestehen.

11. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messimpulse (U bis U ) entsprechend der Ordnungszahl der Messleitung, auf der sie laufen, normiert sind nach der Beziehung:

U= l/2ⁿ · I · R₁

η ' pi

12. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taktgeber (C) sowohl die Bildung der analogen Spannungsimpulse (u) steuert als auch Impulse zwecks Ableitung der normierten Messimpulse (u bis u ) liefert.

13. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der M es schaltungen auf die Summe der ihr in Impulsform zugeführten Energie anspricht und an ihrem Digitalausgang (D bis D )

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Doc!-e: SZ °'.7 0 ;n .

eine binäre "1" anzeigt, wenn die Energie einen Schwellwert überschreitet.

14. Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen 2 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Auftreten einer binären "1" am Digitalausgang einer Messchaltung Mittel (S bis S- ) in den Messleitungen (L₁ bis L ) derart gesteuert werden, dass sie die Weiterleitung des an der Bildung dieser "1" mitbeteiligten Messimpulses gleicher Ordnungszahl unterbinden.

15. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftreten einer binären "1" an einem der Digitalausgänge (D bis D ) die Messleitung gleicher Ordnungszahl durch das eingefügte Mittel kurzgeschlossen und dadurch der an der Bildung dieser binären ⁿl" mitbeteiligte Messimpuls auf dieser Leitung total reflektiert wird.

16. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die binären Daten an den Digitalausgängen (D bis D ) direkt seriell abgegriffen werden, wobei die Frequenz (f ) des Taktgebers

(C) höchstens gleich 1 ist.

η· γ

17. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f ) des Taktgebers (C) höher als 1 gewählt

wird, so dass die digitalen Darstellungen benachbarter, umzuwandelnder Analogimpulse sich zeitlich überlappen.

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Docket SZ 967 010