DE2216123B2

DE2216123B2 - Verfahren und Anordnung zur Analog-Digital-Umsetzung unter mehrfacher Integration

Info

Publication number: DE2216123B2
Application number: DE2216123A
Authority: DE
Inventors: George Arlen Deerfield Beach Fla. Hellwarth; James Ellis Boca Raton Fla. Milton
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-04-06
Filing date: 1972-04-01
Publication date: 1981-07-30
Also published as: IT947881B; US3733600A; DK133450C; JPS5141543B1; FR2132042B1; DE2216123C3; DK133450B; BE781491A; JPS50141254A; GB1357656A; CA994914A; DE2216123A1; SE377250B; NL7204428A; CH541906A; FR2132042A1

Description

Elektrische Analogsignale können oft nur verarbeitet werden, z. B. in Computern, nachdem sie In die digitale Zahlendarstellung umgesetzt worden sind. Zahlreiche Schaltungen sind bekannt zur Analog-Digital-Umsetzung, auch zur Digital-Analog-Umsetzung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Umsetzer der umschaltenden Art Darunter soll ein Umsetzer verstanden werden, bei dem Schaltoperationen zwischen einem oder mehreren analogen Eingangssignalen und ein oder mehreren Bezugsspannungen oder -strömen während der Umwandlung vorgenom men werden. Solche Umsetzer arbeiten üblicherweise mit Hilfe eines Vergleichs des Analogsignales das eine unbekannte veränderliche Größe darstellt mit einem oder mehreren bekannten Vergleichssignalen. Die bekannten Schaltungen können eingeteilt werden in solche mit schrittweiser Näherung und solche, die mit einem Integrator arbeiten. Ein Umsetzer mit Integrator wurde beispielsweise beschrieben im IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 5, Nr. 8, Januar 1963, Seiten 51 bis 52. Die Umsetzungsgeschwindigkeit solcher Schal tungen konnte wesentlich erhöht werden durch die Anwendung verschiedener Bezugssignalpegel auf den Integrator nach der Abtastperiode. Eine derartige Schaltung wurde in der Offenlegungsschrift 17 62 465 beschrieben.

Analog-Digital-Umsetzer werden häufig derart mit Multiplexschaltungen verbunden, daß mehrere Analogsignale wahlweise zur Umsetzung abgetastet werden können. Auch benötigen die Umsetzer beider genannten Arten verschiedene Schalteinrichtungen am Ein- gang. Die bekannten Umsetzer arbeiten zufriedenstellend bei relativ langsamer Abtastung.

Moderne Datenverarbeitungsanlagen wie beispielsweise Computer können digitale Daten mit sehr hohen Geschwindigkeiten verarbeiten. Bei der Datengewin nung wie beispielsweise Abtastung ist es daher wesentlich, daß eine möglichst große Anzahl analoger Eingangssignale in einer bestimmten Zeit abgetastet werden. Das bedeutet, daß die Zeitdauer für die Konversion eines Analogsignales und auch die Zeit die der Multiplexer zur Umschaltung benötigt, möglichst kurz gehalten werden muß.

Bei Verkürzung der Schaltzeiten leidet aber die Genauigkeit der bekannten Schaltungen infolge von Umschaltstößen, von Widerstandsänderungen während der Schaltvorgänge, Störungen und anderen Problemen, die mit den großen für solche Operationen benötigten Bandbreiten verknüpft sind. Eine Möglichkeit, die Auswirkungen von Sollwertabweichungen einzelner Schaltelemente zu beheben, wurde im /BM Technical Disclosure Bulletin, Band 11, Nr. 4, September 1968, Seiten 386—387 aufgezeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung unter mehrfacher Integration anzugeben, bei dem die Empfindlich- keit des Umsetzers gegenüber Ausgleichsvorgängen, die beim Umschalten auf die verschiedenen unbekannten und bekannten Eingangsspannungen entstehen und die Genauigkeit des Ergebnisses beeinträchtigen, zu verringern.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Umsetzung bis zum Abklingen der Ausgleichsvorgänge kurzzeitig unterbrochen wird.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator ein Pufferverstärker mit einem Verstärkungsfaktor ν « 1 vorgeschaltet ist, dessen Eingang die unbekannten und bekannten Spannungen über je einen Halbleiter-Schalter zugeführt werden. Der Ausgang des

Pufferverstärkers ist über einen weiteren Halbleiter-Schalter an den Eingang des Integrators angeschlossen, an den, ebenfalls fiber einen Halbleiter-Schalter, auch eine konstante Spannungsquelle anschließbar ist, deren Spannung der dem zweiten Eingang des Integrators zugeführten Vorspannung in etwa entspricht

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anschließend näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm eines Umsetzers,

F i g. 2 ein Zeitbasisdiagramm der Ausgangsspannung des Umsetzers,

Fig.3 die Blockschaltung eines mit drei Rampenspannungen integriererden Analog-Digital-Umsetzers,

F i g. 4 die Ausgangspegel der verschiedenen Komponenten der in F i g. J gezeigten Schaltung,

F i g. 5 eine Detailschaltung zum Ausführungsbeispiel der F ig. 3,

F i g. 6 Betriebsspannungen für die Schaltungskomponenten der F ig. 3 und 5,

F i g. 7 Blockdiagramm der in den Ausführungsbeispielen der Fig.3 und 5 verwendeten Steuer- und Zählerschaltungen,

F i g. 8 die Beziehung der Integrator-Ausgangssignale in den Fig.3 und 5 zu den nach Fig.7 decodierten Signalen des Analog-Digital-Konverters und

F i g. 9 die Reihenfolge der Vorgänge in F i g. 7 und 8.

Das allgemeine Blockdiagramm der F i g. 1 enthält Komponenten, die zu einem integrierenden Analog-Digital-Konverter gehören, der mit mehreren Rampen arbeitet Das Ausführungsbeispiel wird im einzelnen in Zusammenhang mit den F i g. 3 und 5 beschrieben. Zu Grunde liegt eine mit drei Rampen arbeitende Integrieroperation, wie sie in der Offenlegungsschrift 17 62 465 beschrieben ist Der analoge Eingang bei 10 ist in ein digitales Datenwort zur Verwendung durch ein Datenverarbeitungssystem umzuwandeln. Die Steuerschaltung U leitet einen Umwandlungszyklus dadurch ein, daß ein entsprechender Schalter in der Schaltermatrix 12 geschlossen wird, so daß das Signal VX in die Integratorschaltung 13 eingeführt wird. Die Integration von VX beginnt nach der Darstellung in F i g. 2 zur Zeit f 1. Die Polarität von VX wird am Anfang geprüft und die Steuerschaltung 11 spricht so an, daß die Polarität für den Integrator 13 immer richtig ist

Gleichzeitig mit der Einleitung der Integration von VX zur Zeit 11 betätigt die Schaltung 11 das Tor 14, so daß Zeitimpulse vom Taktgeber 15 in die Zähler 16 kommen. Die Zähler 16 erzeugen nach einer vorgewählten Abtastzeit einen Impuls, welcher über die Steuer- so schaltung 11 zum Zeitpunkt f2 abschaltet Die Prüfzeitperiode (J bis ti kann bekanntlich fest oder veränderlich sein. Die Steuerschaltung 11 schaltet am Ende der Abtast- oder Prüfperiode ein Bezugi signal 17 über die Matrix 12 so, daß der Integrator 13 für eine kurze Zeit, f 2 bis f 3, festgehalten wird. Während dieser Zeit kommen die Schalter in der Matrix 12 zur Ruhe. Auf diese Weise wird ausgeschlossen, daß Schaltstörungen die Ausgangssignale des Integrators 13 verzerren. Die Steuerschaltung 11 erzeugt auch noch andere derartige Plateaus, wie z. B. 10 bis f 1, f 4 bis f 5 und das Plateau nach f 6, die alle eine ähnliche Operationsunterbrechung oder Isolierung bewirken, während Schaltverbindungen hergestellt werden.

Die Steuerschaltung 11 erzeugt ein Signal, wenn diese festgelegten Perioden abgelaufen sind. Bei (3 z. B., betätigt die Schaltung U die Matrix 12 so, daß die Bezugsspannung 17 auf den Integrator 13 gekoppelt wird. Der Ausgang des Integrators 13 fällt nach f 3 ab, bis bei f4 der Schwellwert des Vergleichers 18 überschritten und eine Anzeige ausgelöst wird. Wieder wird durch die Steuerschaltung 11 während der Obergangsperiode f4 bis i5 der Integrator festgehalten, während die Schaltstörungen in der Matrix 12 abklingen. Zur Zeit f 5 wird eine zweite Bezugsspannung mit geringerer Amplitude als die erste auf den Integrator 13 gekoppelt

Wenn die kleinere Bezugsspannung nach der Zeit f 5 anliegt, läuft das Ausgangssignal des Integrators rampenförmig mit niedrigerer Geschwindigkeit nach unten. Der Vergleicher 18 zeigt schließlich bei r6 an, daß der Anfangs- oder Startpegel erreicht wurde, so daß der Umsetzzyklus beendet ist

Fig.3 zeigt ein Diagramm eines integrierenden Analog-Digital-Konverters mit drei Rampen, ähnlich dem in der eingangs genannten Offenlegungsschrift beschriebenen. Für einen n-Bit-Konverter mit einer Frequenz /cdes Taktgebers 25 wird ein Eingangssignal VX bei 20 durch den Integrator 23 über eine feste Periode

fc

gemessen im Zähler Ti, integriert Anschließend folgt die Integration der Bezugsspannung VR 2, bis der Vergleicher 21 den Zähler 72 auf der Zahl Nl zur Zeit N2/fc stoppt Eine zweite Bezugsspannung VR1 wird dann integriert, bis der Vergleicher 22 den Zähler Tl bei N3, d. h. zur Zeit NZIfc, nach der Zahl Nl stoppt Der Integrator erhält ferner eine Vorspannung VR 3. Der umgewandelte Ausgangs-Digitalcode NA wird für den vereinfachten Fall erster Klasse zu:

= 2"-(-Vx- VRi)I(VRl- VRS).

Die Gleichung zeigt, daß der Ausgabecode N 4 direkt proportional der Spannung Vx, die negativ gewählt wird, abzüglich der konstanten Spannung VR 3 ist Die Vorspannung kann digital vom Ausgangscode subtrahiert werden, indem man die Zahl Nl vorsetzt

Der Pufferverstärker 26, mit der Spannungsverstärkung eins Hefen über einen Schalter mit den Kontakten 27A und 27ß die drei Haupteingangssignale Vx, VR1 und VR1 zum Integrator 23. Der Integratoreingang Vi 1 kann keine unregelmäßigen und ungenauen Signale mehr empfangen, wenn die Eingangssignale durch die Kontakte 28, 29, 30Λ und 30ß umgeschaltet werden, denn der Schalter 27 arbeitet für eine festgelegte Periode r - Vlfc, die durch den Zähler Ti in der Steuerschaltung 31 zwischen je zwei Integrationsperioden eingesetzt wird.

Die in F i g. 4 gezeigte Impulskurve für die Integratorausgangsspannung VO1 zeigt die kurzen Teile 32 bis 35 mit konstanter Amplitude vor jeder Rampe. Diese Zeitverzögerungsplateaus 32 bis 35 entstehen dadurch, daß der Integratoreingang Vi 3 kurzzeitig über den Schalter 27 auf die Spannung VR 4 geschaltet wird, die der 'ntegratorvorspannung VR 3 ähnlich ist. IDisrc Hauptverbesserung der Umschaltung des Integratoreinganges wird später noch genauer beschrieben.

Der Analogsignalabschnitt der in F i g. 3 gezeigten

Konverterschaltung ist schematisch in Fig.5 gezeigt. Um Schaltstörungen beim Umschalten der Bezugsspannungen VRi, VR 2 und VR 3 durch die MOSFET-Schalter 28, 29 oder 30 zu vermeiden, werden durch die MOSFET-SchaUer 36 bzw. 37 die Hilfsspannungen VA 1 und VA2 gemäß Fig.5 auf V/l geschaltet. Die Hilfsspannungen werden an die Kondensatoren 38 und

39 gelegt, um die Schaltstörungen von den MOSFETS 28 und 29 zu absorbieren und von den Widerständen 43, 44,45 und 46 fernzuhalten. Die Schalter 36 und 37 leiten nur während des Umschaltens des Einganges V/l. Danach werden die Kondensatoren 38 und 39 über die Widerstände 47, 48 und 49 entladen. Die Bezugsspannungen VRi, VR 2 und VR 3 können sich mit einer sehr kurzen Zeitkonstante erholen, nachdem die Schalter 36 und 37 wieder ausgeschaltet sind. Eine Hauptursache der Störungen der Bezugsspannungen ist die Nebenschluß-Streukapazität des Knotenpunktes Vi 1.

Der Widerstand 43 wird verändert, um die Bezugsspannungen zu eiche Der Widerstand 47 wird verändert, um annähen .J gleiche Hilfsspannungen VR 1 und VR 2 zu erzeugen. Die Werte der Kondensatoren 38 und 39 sind so gewählt, daß die Zeitkonstanten kleiner sind als ein Umwandlungszyklus, jedoch wesentlich größer als die Dauer der Schaltstörungen.

Wird der Eingang Vi 1 zunächst auf die unbekannte Eingangsspannung Vx, dann die große Bezugsspannung VT? 2 und schließlich die kleine Bezugsspannung VR1 geschaltet, so ist es in der Praxis schwierig, ideale Obergänge zwischen den Spannungen zu schaffen, die sowohl von Störungen frei sind als auch zum richtigen Zeitpunkt erfolgea Da die MOSFET-Schalter 28, 29 und 30 durch den Integrator-Eingangswiderstand 51 beiastet sind, bilden die DurchiaB-Widerstandswerle dieser drei Schalter drei verschiedene unbekannte Spannungsteiler, wobei der Integrator-Eingangswiderstand 51 zu Fehlern im Integrator-Eingangsstrom führt, wenn die unbekannte Eingangsspannung Vx integriert wird. Das Integral dieser Zeit- und Amplitudenfehler ist in der Praxis von Bedeutung und führt zu Umwandlungsfehlern, die beim Betrieb eines langsameren Analog-Digital-Konverters mit mehreren Rampen nicht auftreten.

Der Pufferverstärker 26 wird durch die Spannung V/l gespiesen und speist seinerseits den Integrator-Widerstand 51. Fehler in der Eingabe-Zeiteinteilung sowie durch den langsamen Abfall begrenzte Obergänge am Verstärkerausgang erzeugen noch Fehler im Integral. Die veränderlichen Durchlaßwiderstände der Schalter 28,29 und 30 dahingegen haben keinen Einfluß mehr. Ein zweites Paar MOSFET-Schalter 27A und 27B hinter dem Pufferverstärker 26 korrigiert die zeitliche Lage dieser Signale, die dem Integrator zugeführt werden. Die Zeiteinteilung wird durch die Torschaltung

40 gesteuert, die kurze und genaue Anstiegs- und Abfallzeiten einhält

Wenn der Pufferverstärker 26 stabil und linear arbeitet, stabile Ausschaltspannungen und -ströme sowie eine angemessene Abfallgeschwindigkeit und Bandbreite hat, kann jetzt nur noch der Schalter 27Λ Fehler zum Eingangs-Integratorstrom hinzufügen, wenn Änderungen im Dnrchlaßwiderstand Signaländerungen am Punkt V74 hervorrufen. Die Umwandhmgsgenauigkeit des nut mehreren Rampen integrierenden Koner hängt jedoch bekanntlich nicht vom Wert des Integratorwiderstandes 51 ab, wenn dieser konstant ist, und daher führt der Durchlaßwiderstand des Schalters 27a jetzt nicht zu einem Fehler, wenn er ebenfalls für alle in den Integrator eingeleiteten Ströme und während jedes Umwandlungszyklus konstant ist. Eine Möglichkeit zur Erzielung eines konstanten Durchlaßwiderstandes wird später beschrieben. Wenn die Eingangsspannung Vi 1 geschaltet wird und der Verstärker 26 seine Ausgangsspannung bei V12 abklingen läßt, wird die Integrator-Eingangsspannung V/3 durch den MOSFET 27B auf eine stabile Bezugsspannung VR 4 geschaltet, die durch die

ίο Widerstände 60 und 61 von Bezugsspannung VR4 abgeleitet wurde. Der Kondensator 65 dient zur Glättung. Die Zeitkonstante von 61 und 65 wird klein gewählt im Vergleich zu der Zeit in welcher der Schalter 285 leitet, jedoch groß im Vergleich zur Anstiegszeit der Treiberspannung für den Schalter 27Ä

im Integratorverstärker 62 dient das Potentiometer 63 zur Kompensation der Spannungs- und Stromverschiebungen des Pufferverstärkers 26 und des Integratorverstärkers 62. Das Potentiometer 61 regelt die während der Schaltintervalle mit konstanter Dauer an den Integrator angelegte Spannung. Dadurch werden

Verschiebeeffekte, die aus der Schaltzeiteinteilung

herrühren, ausgeglichen.

Der Integratoreingang wird durch die Bezugsspan-

nung V/5 vorgespannt, die von der Spannung VÄ3 herrührt Der Widerstand 52 und der Kondensator 53 sind gleich dem Widerstand 51 bzw. dem Kondensator 54. Der Umkehrverstärker 55, der Vergleicher 56 und die Schalter 27A und 27B haben mit der Polaritätser-

jo mittlung und -verarbeitung zu tun.

Als nächstes wird die Arbeitsweise der Torschaltung 40 betrachtet Wie bereits gesagt ist die einzige verbleibende Fehlerquelle, die die Eingabesignale zum Integrator 23 beeinträchtigen könnte, der MOSFET-

j> Schalter 27A Er muß schnell und zu genau gesteuerten Zeitpunkten geschaltet werden und einen konstanten Durchlaßwiderstand aufweisen. Die Torschaltung 40 erfüllt diese beiden Forderungen durch ein zeitlich genau gesteuertes Eingangssignal.

Die Schalter 36 und 37 sind von demselben Signal getrieben wie der Schalter 27Ä Die Treiberschaltung liefert eine Spannung VG 5A für den Schalter 27A in Reihe mit der Vorspannung VB, die konstant und unabhängig von der Spannung Vi 2 ist welche dem

4^r) MOSFET zugeführt wird. Zu diesem Zweck wird eine Stromversorgungsspannung V/6 von der Ausgangsspannung Vi 2 des Pufferverstärkers 26 abgeleitet und dann zur Stromversorgung für zwei Breitbandverstärker 69 und 70 benutzt deren Ausgangsspannungen in

so jeder Richtung die Stromversorgungsspannungen nicht überschreiten können.

Die Ausgangsspannungen VG 5A und VG 5 B der Breitbandverstärker 69 und 70 bewegen sich, gesteuert durch ein Signal am Eingang 75, zwischen den Werten VC und V76= V72— VBl wie in der Impulskurve der Fig.6 gezeigt Dadurch wird eine Veränderung des Durchlaßwiderstandes zwischen Senke und Quelle in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Vi 2 verhindert.

M Der Zeitpunkt der Umschaltung von 27A und 27B wird durch den Taktgeber 25 gesteuert Das Steuersignal 75 von der Steuerschaltung 31 der F ϊ g. 3 wird bis zum nächsten Taktübergang durch einen Trigger 66 verzögert, so daß das Ausgangssignal 77 zeitlich

b5 möglichst genau liegt Ein Breitband-Vorverstärker 88 erzeugt Ausgangssignale beider Polaritäten mit gleicher Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangsübergängen. Die beiden Polaritäten der Steuersignale

werden jede für sich durch identische Verstärker 69 und 70 auf die Leitungen V 65/4 und VG 5 Ζ? gegeben.

Für einen Analog-Digital-Umsetzer hoher Genauigkeit ist ein Integratorverstärker mit einer relativ hohen Leistung erforderlich. Ein besonders gutes Speichervermögen ist erwünscht, und natürlich ist eine geringe Empfindlichkeit auf Änderungen der Eingangssignale erforderlich. Obwohl oben angenommen wurde, daß ein Ansprechen mit begrenzter Bandbreite im Integrator unzureichend ist, wurde festgestellt, daß eine relativ schmale Bandbreite tatsächlich benutzt werden kann, wenn die Schaltung extrem linear ist. Hinter einem Breitbandintegrator 23 wird in einem Filter mit einem Widerstand 85 und einem Kondensator 86 die Bandbreite begrenzt. Dadurch werden Störungen ausgefiltert, die sonst Nichtlinearitäten verursachen.

Ein weiteres Problem bei Analog-Digital-Konvertern mit drei Rampen bietet der Anfang des Umsetzungszyklus. Der Zyklus muß mit identischen Bedingungen angefangen und beendet werden, um Fehler im Vergleicher 22 und Fehler aus der Integratorbandbreite auszuschalten. Diese Bedingung ist grundsätzlich erfüllt, wenn der Analog-Digital-Konverter kontinuierlich arbeitet, d. h. das Ende der dritten Rampe einer Umsetzung immer als Anfang der ersten Rampe der folgenden Umsetzung benutzt wird. Obwohl diese Lösung zur Erzielung der theoretischen Höchstgeschwindigkeit der Umsetzung führt, ist sie bei einer computergesteuerten Multiplexumsetzung nicht durchführbar, insbesondere, da die Umsetzungszeit nicht jo konstant ist.

Die Umsetzung kann dadurch unterbrochen werden, daß ein MOSFET-Schalter 84, Fig. 5, leitend wird, der den Integratorkondensator 54 überbrückt. Der MOS-FET wird über den Anschluß 94 während des Umsetzungszyklus gesperrt gehalten. Während einer Stopperiode liegt am Integratoreingang die Spannung VR1, die Verstärker 26 und 62 in Ruhestand dicht bei dem durchschnittlichen Signal hält, das während eines Umsetzungszyklus auftritt. Bei Beginn einer Umsetzung wird die Spannung VT? 2 an den Integrator 26 angelegt, um die Ausgangsspannung VO1 des Integratorverstärkers 62 auf den Wert zu ändern, der bei der Eichung durch Einstellung des Potentiometers 83 gewählt wurde. Der Einleitungszyklus zu einer Analog-Digital-Umsetzung ist in F i g. 4 gezeigt. Diese Folge beginnt damit, daß zur Zeit ix die Spannung VT? 2 auf den Integrator 23 geschaltet wird. Kurz danach wird die Überbrückung des Kondensators 54 aufgehoben, indem die Steuerung 3i den Schalter 84 abschaltet Die Schalter 27 A und 29 bleiben weiter eingeschaltet Der Analog-Digital-Konverter kann jetzt normal umsetzen. VO1 fällt aufgrund von VT? 2 ab, die Schaltzeitverzögerung 32 tritt auf und danach wird VT? 1 auf den Integrator 23 geschaltet, um mit der dritten Rampe 78 fortzufahren. Wenn die Einleitung der dritten Rampe 78 und die folgende Zeitverzögerung 33 beendet ist, existieren die richtigen Anfangsbedingungen für den nachfolgenden Start der ersten Rampe. Dieser Einleitungszyklus führt eine Verzögerung in den Start der Umsetzung ein, während t>o welcher die Multiplexer und Verstärker zur Ruhe kommen. Die Einleitungsperiode wird außerdem dazu benutzt, genügend Zeit für verschiedene langsame Störungen mit kleiner Amplitude im Konverter nach dem vorhergehenden Umsetzungszyklus zur Ruhe kommen zu lassen.

Der Nullpegel des Umsetzers wird zuerst durch Einstellung der Nullverstellung des Integratorverstärker 62 gesteuert, um die Abweichung des Verstärkers 26 und des Integratorverstärker 62 zusammen auszugleichen. Diese Einstellung erfolgt bei gestopptem Umsetzer, jedoch bei nichtleitendem Start-Stop-Schalter 84. Wird der Analog-Digital-Konverter mit einem Nullsignal bei V laufen gelassen und entsteht der gewünschte Null-Ausgangscode durch Einstellung der Spannung VT? 4, die während der Schaltintervalle an dem Integrator angelegt wird, dann ist die Gesamtzeit dieser Intervalle in einem Umsetzungszyklus immer dieselbe. Diese Einstellung des Integratoreinganges während der Umschaltung kompensiert die Pegelfehler aufgrund der festen Verzögerungen in der Umschaltung. Die Verstärkung des Umsetzers läßt sich, wie bereits gesagt, durch das Potentiometer 43 in F i g. 5 verändern, durch welches proportionale Änderungen in den Spannungen VT? 1, VR 2 und VT? 3 möglich sind. Die Zeitfolge der verschiedenen Schalter läßt sich aus F i g. 4 ersehen. Die Bezugszahlen am linken Rand bezeichnen den jeweiligen Schalter und die in Klammern stehenden Angaben den Spannungspegel am Ausgang. »27A(Vi 2)« z. B. heißt, daß der Schalter 27A leitet, sobald der Leitungspegel oben ist und daß zu diesem Zeitpunkt das Ausgangssignal Vi2 des Verstärkers 26 am Integratorverstärker 62 liegt. Außerdem bezeichnet Λ/l den Punkt, an welchem der erste Zähler Ti, dessen Inhalt die Prüfperiode definiert, voll ist. N2 bezeichnet den Punkt, wo die Zahlen im Zähler Γ2 enthalten sind, und N 3 den Zeitpunkt, an welchem der Zähler Π die letzte Zahl der Umsetzung enthält.

Die Arbeitsweise des Polaritäts-Ermittlungsvergleichers 56, die Entscheidung darüber, ob Vx direkt über 3OA oder über den Inverter 55 und 30S zu führen ist, sowie die Voreinstelloperation zur Kompensation der Effekte, die durch Anlegen von VT? 3 an den Integrator 23 entstehen, sind bekannt und bedürfen keiner Beschreibung.

Die in Fig.3 gezeigte Steuerschaltung und die Zeitintervallzähler 31 sind im Blockdiagramm der F i g. 7 dargestellt Die Tore 88 reagieren auf jeden der Eingänge, setzen ihre Statusbits % (A, B, C und D) in die entsprechenden Zustände und veranlassen außerdem eine Polaritätsbestimmung durch ein Signal 89 für das Tor 100, wodurch der Ausgang 73 des Vergleichers 56 abgetastet wird. Das während des Überganges vom Zustand 5 auf den Zustand 6 (siehe F i g. 8) auf 89 vorhandene Signal wird später genauer besprochen. Aufgrund dieser Prüfung des Tores 100 wird der Polaritätshaltekreis 101 entweder gesetzt oder rückgestellt, je nach dem Signal auf 73. Wie aus der nachfolgenden Tabelle I zu sehen ist, berücksichtigen die Tore 88 auch das vorhergehende sowie das jetzige Zustandsbit 96 der Ausgänge 99 des Decoders 97. In Tabelle I sind die Zahlen 1 bis 12 die Signale auf den Leitungen 99, L1 ist das Signal 71, L 2 das Signal 72,57* stellt ein Eingabe-Startkommando dar, C einen Taktimpuls, RB eine Systemrückstellung und Fist der Überlauf des Zählers Ti. Es ist zu beachten, daß beide Signale ST und RB von einem nicht dargestellten Steuergerät stammen. Außerdem ist Rx definiert durch die logische Funktion:

y = (12) Ti +RB.

(D

Dementsprechend ist der Zustand der Steuerschaltung folgendermaßen definiert:

Tabelle I

10

SETZEN

RÜCKSTELLEN

A (4 + 5) D

B (2) L 2 Γ3 + (10+ W)D

C (1)57"+ (8 + 9) D

D [C + 9) Ll + (5 + H)L! +(7) F]C

Rx

(6 + 7) D + Dx
(3) D+ Rx TiC+ Rx

Aufgrund der speziellen Setz- oder Rückstellbedingungen der Zustandsbits 96 sprechen die Steuersignale 95 A und 95ß zur Ein- oder Ausschaltung der Schaltung 27A, 27 B, 36 und 37 der F i g. 3 an auf das Bit D. Im Zusammenhang mit der nachfolgenden Tabelle II bedeutet das, daß durch das Bit D der Schalter 27A abgeschaltet und die Leitsignale in die Schalter 285,36 und 37 über 955 gelangen. Das Gegenteil gilt, wenn der Schalter D zurück- oder auf 0 gestellt wird.

Der Decoder 97 stellt den Zustand der Bits A bis D fest und hebt die Spannung auf einer der Leitungen 99 an. Diese Signale werden durch die horizontalen Spalten der Tabelle für den Decoderausgang 99 in F i g. 8 angegeben. Die Ausgangsleitungen, 91 bis 94 übernehmen die oben im Zusammenhang mit den F i g. 3 und 5 beschriebenen Schaltfunktionen, wogegen die anderen Ausgänge (Gi, G 2, P, R, EOC und T) bestimmte Steuerfunktionen in anderen Komponenten der in F i g. 7 gezeigten Schaltung übernehmen.

Die nachfolgende Tabelle II zeigt die verschiedenen Schaltungen und logischen Zusammenhänge beim Übergang von einem Zustand zum anderen. Die Zustandsdefinition der Steuerschaltung nach Tabelle I und Tabelle II entspricht z. B. dem Übergang von einem der Zustände 4 oder 5 und dem Setzen des Bits D durch Setzen des Bit A in den Zustandsbits 96. Weiter führt der Zustand 12 und ein Impuls vom Zähler T 3 oder ein System-Rückstellsignal RB dazu, daß das Bit A zurückgestellt wird, wenn die Ausgänge 99 nicht auf 1 stehen.

15

20

25

30

35 Der Zähler Γ3 in Fig. 7 ist ein 3-Bit-Zähler, der die Übergangsplateaus 32 bis 37 in F i g. 4, steuert. Eine der Bedingungen, auf welche die Ausgangstore 98 logisch durch Anzeige des Zustands 2 bei 99 ansprechen, ist die Erzeugung eines Signals Γ für das Tor 104, worauf der Zähler T3 zu zählen beginnt. Der Zähler T3 erzeugt zwei Ausgangsimpulse, einen, wenn der erste Impuls bei 7"! gezählt wird und den zweiten, wenn der Zähler voll ist, so daß die dritte Stufe einen 73-Ausgang erzeugt. Wie aus Tabelle II zu ersehen ist, werden mit dem Ti-Ausgang durch die Ausgangstore 98 entweder die Zähler 1 und 2 vorgesetzt, wenn sie auf 8 stehen, oder wenn der Zustand 12 erreicht wurde, wird das Ende der Umsetzung (EOC) angezeigt. Das in den Zählern T\ und Γ2 enthaltene Byte kann gelesen werden.

Die Tabelle II zeigt die verschiedenen Steuersignale für die in den F i g. 3 und 5 gezeigten Schalter sowie die Pegel, die durch die in F i g. 7 gezeigte Schaltung intern benutzt werden. Eine 1 besagt, daß der Schalter leitet, während eine 0 angibt, daß der Schalter nicht leitet. Wie bereits erwähnt, gibt das Signal Tin Tabe'le II an, daß der Zähler Γ3 Zeiteinteilungsoperationen beginnt, und das EOC-Signal gibt an, daß die Umsetzung abgeschlossen ist Das Pbedeutet, daß die Zähler entsprechend der erwähnten Polaritäts-Ermittlungs- und -Kompensationseinrichtung vorzusetzen sind, und R bezeichnet ein Zählerrückstellsignal. Die Signal Gl und G 2 lösen Taktimpulse über die Tore 103 bzw. 102 in die Zähler 1 und 2 aus. Tl bezeichnet die ersten Zählimpulse vom Zähler T3 (106 der F i g. 7).

Tabelle II

ZUSTAND A

91

92

93

95

Gl Gl

EOC

1	0	0	0	0	1	0	0	1	1	0	0	0	0	0
2	0	0	1	0	0	1	0	1	1	0	0	0	1	1
3	0	1	1	0	0	1	0	0	1	0	0	0	0	0
4	0	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1
5	0	1	0	0	1	0	0	0	1	1	0	0	0	0
6	1	1	0	1	0	0	1	0	0	0	0	0	1	1
7	1	1	0	0	0	0	1	0	1	1	0	0	0	0
8	1	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	π	0	1
9	1	0	0	0	0	1	0	0	1	0	1	0	0	0
10	1	0	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1
11	1	0	1	0	1	0	0	0	1	1	0	0	0	0
12	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Tl

Wenn der Zähler 7Ί (107) überläuft, erzeugt er ein Signal zur Schaltung 88. Im Zusammenhang mit der F i g. 3 heißt das, daß während der Rückstellperiode die Bits A bis D gelöscht sind und das Signal 91 vorhanden ist, so daß VT? 1 auf den Verstärker 26 gekoppelt wird. Die Signale 92 und 93 sind nicht vorhanden, so daß VR 2 und Vx nicht auf den Verstärker 26 gekoppelt werden. Das Signal 94 ist vorhanden, so daß der Integrationskondensator über den Schalter 84 überbrückt wird, und das vorhandene Signal 95 zeigt an, daß der Integrator 23 an den Ausgang des Verstärkers 26 gekoppelt ist. Da die In.pulse Gl, G 2 und folgende fehlen, sind keine

anderen Funktionen auszuführen.

Die dem Zustand 8 entsprechende horizontale Zeile zeigt, daß die Bits A und Dgesetzt sind, während Sund Cgelöscht sind. Somit wird der Schalter 29 betätigt und VR 2 auf den Eingang des Verstärkers 26 geleitet. Die 0 für 95 besagt, daß der Schalter 27B betätigt und 27A abgeschaltet ist, so daß VT? 4 auf den Eingang des Integrators 23 gekoppelt wird, uie Eintragung Π in der Spalte Pzeigt außerdem, daß die Zähler Ti und Γ2 bei dem Impuls Ti vom Zähler Γ3 vorgesetzt werden und die 1 in der Spalte Tbedeutet, daß der Zähler T3 erhöht wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung unter mehrfacher Integration, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Empfindlichkeit des Umsetzers gegenüber Ausgleichsvorgängen, die beim Umschalten auf die verschiedenen unbekannten und bekannten Eingangsspannungen auftreten, die Umsetzung bis zum Abklingen der Ausgleichsvorgänge kurzzeitig unterbrochen wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des EinPußes der Ausgleichsvorgänge auf die durch einen ohmschen Spannungsteiler (58 F i g. 5) gebildeten Bezugsspannungsquellen jede von ihnen beim Umschalten über je einen Halbleiter-Schalter (36, 37) mit einem parallelliegenden Hilfs-Spannungsteiler (59) verbunden wird, der für jeden Abgriff einen Parallelkondensator (38,39) aufweist

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des Integrators (23) während der kurzzeitigen Unterbrechungen der Umsetzung über einen nur während dieses Intervalls geschlossenen weiteren Halbleiter-Schalter (2IB) eine konstante Spannung zugeführt wird, die etwa gleich groß ist wie die Vorspannung des Integrators.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator (23) ein Pufferverstärker (26) mit einem Verstärkungsfaktor v» 1 vorgeschaltet ist, dessen Eingang (ViI) die unbekannten und bekannten Spannungen über je einen Halbleiter-Schalter (28, 29, 3OA, 30B) zugeführt werden und dessen Ausgang (Vi 2) über einen weiteren Halbleiter-Schalter (27A) an den Eingang (Vi 3) des Integrators angeschlossen ist, an den, ebenfalls über einen Halbleiter-Schalter (27B), auch eine konstante Spannungsquelle anschließbar ist, deren Spannung der dem zweiten Eingang (ViS) des integrators zugeführten Vorspannung in etwa entspricht

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter-Schalter MOS-Feldeffekttransistoren dienen.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Eingang (Vi 3) des Integrators verbundenen Halbleiter-Schalter (27A, 27B) im geschlossenen Zustand einen konstanten Widerstand aufweisen.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere von Taktimpulsen gespeiste Zähler vorgesehen sind, die die Integrationsintervalle und kurzzeitigen Unterbrechungen der Umsetzung festlegen.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (54) des Integrators über einen Halbleiter-Schalter (84) kurzschließbar ist