DE1930275A1 - Analog-Digital-Wandler - Google Patents
Analog-Digital-WandlerInfo
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- DE1930275A1 DE1930275A1 DE19691930275 DE1930275A DE1930275A1 DE 1930275 A1 DE1930275 A1 DE 1930275A1 DE 19691930275 DE19691930275 DE 19691930275 DE 1930275 A DE1930275 A DE 1930275A DE 1930275 A1 DE1930275 A1 DE 1930275A1
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- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
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- Electronic Switches (AREA)
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
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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SZ 9-67-010 . - Z - . "
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.
-4-
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Docket SZ 967-010
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 Sn_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 Ln-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 Ln) und mit
der Kathode an Masse d. h. Erdpotential angeschlossen sind, dass
Doket sz 967 οίο 909887/1396
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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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 Ln 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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ST.
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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.
sz 9-67-010 909887/1396
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
sz 9-67-010 909887/1396
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
sz 9-67-0.0 909887/1396
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.
909887/139
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
S7. 9-67-010 909887/1396
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.
sz "9-Λ7-οι.ο 909887/13 96
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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7, 0-67-010
Claims (17)
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
909887/139 6
Docket SZ 967 010
-23-
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 (Zn) 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.
90988 7/1396
Docket SZ <H>7 010
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.
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
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |