DE2401452A1

DE2401452A1 - Zweikanal-a/d-umsetzer

Info

Publication number: DE2401452A1
Application number: DE2401452A
Authority: DE
Inventors: Joe E Brewer
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-01-16
Filing date: 1974-01-12
Publication date: 1974-07-25
Also published as: US3815124A; FR2214201B1; FR2214201A1; JPS49106271A

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER „,

Patentanwalt Z HV I 4 D Δ,

4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

44,095 .Düsseldorf, 11. Jan. 1974

Westinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh, Pennsylvania, USA

Zweikanal-A/D-Umsetzer

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Signalverarbeitungseinrichtung und insbesondere einen A/D-Urnsetzer (mit zwei Kanälen), welcher ein analoges Eingangssignal in ein digitales Signal umformt.

Die Verfügbarkeit genormter, direkt erhältlicher Blöcke zur Funktionsbildung, beispielsweise in den MSI- und LSI-Familien digitaler Schaltkreise hat die digitale Signalverarbeitung für eine Vielzahl von Systemen praktikabel gemacht, in denen analoge Signale vorhanden sind. Der Aufbau derartiger Einrichtungen ist üblicherweise derart, daß eine zeitliche Abtastung des analogen Signales und sodann eine Umformung in ein digitales Signal erfolgen, üblicherweise wird das digital quantisierte Ergebnis in einer Art Speicher gespeichert, welches dann zur nachfolgenden Datenverarbeitung verwendet werden kann.

Die herkömmlichen A/D-Umsetzer arbeiten mit einer direkten Quantisierung in einem einzigen Signalkanal wobei die Abtastung, Quantisierung und üblicherweise eine implizite Speicherung in der Nullrangfolge ("zerooifler hold") stattfindet, wonach das eintreffende Signal durch eine einzige Ausgangsreihenfolge digi-

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Telefon (Ο211) 32 08 58 Telegramme Custopat

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taler Zahlen bei jedem Abtastzeitpunkt dargestellt wird und die Abtastung in festen Zeitintervallen erfolgt. Diese Art der Speicherung liegt vor, wenn die digitale Datenverarbeitungseinrichtung unter der Annahme arbeitet, daß der Signalpegel zwischen diskreten Abtastzeitpunkten konstant bleibt. Bei einem System mit direkter Quantisierung stellt ein digitales Wort das Signal zu einem gegebenen AbtastZeitpunkt dar, wobei das Wort die Information über die Amplitude und das Vorzeichen enthält. Die Abtastgeschwindigkeit muß wegen des Stabilitätskriteriums nach Nyquist ausreichend hoch sein, um die Abtastbedingung zu erfüllen, während die Wortgröße durch die gewünschte Auflösung und den erwarteten Dynamikbereich des Signales bestimmt-ist.

Beispielsweise kann das Umsetzen eines analogen Signales mit einer Bandbreite von beispielsweise 1 kHz bis 100 kHz in ein Wort mit 13 Bits (12 Bits für die Amplitude und 1 Bit für das Vorzeichen) bei einer Abtastfrequenz von 250 kHz nur schwierig mit der heutigen Technologie ausgeführt werden. Auch stehen die Umsetzfrequenz und der Preis direkt miteinander in Beziehung. Bei vielen Anwendungen sind Wortgrößen und Umsetzfrequenzen jenseits derjenigen Werte erforderlich, welche mit fertigen monolithischen integrierten Schaltungsbauteilen realisiert v/erden können.

Es ist vor allem die Aufgabe der Erfindung einen A/D-Umsetzer zu schaffen, welcher unter Verwendung der herkömmlichen integrierten Bausteine höhere Abtastfrequenzen ermöglicht. Dabei wird von dem Prinzip ausgegangen, daß ein Zweikanal-A/D-Umsetzer benutzt wird, bei welchem die Wechselspannungsamplitude in einem Kanal im wesentlichen konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Zweikanal-A/D-Umsetzer mit einem ersten Kanal mit einer Schaltung zum Erzeugen eines zeitlich abgetasteten Signales, welches proportional der Amplitude der Hüllkurve eines Wechselspannungseingangssignales ist, einem ersten mit diesem verbundenen A/D-Umsetzer und einem zweiten Kanal mit einem zweiten A/D^Umsetzer an einem Ausgang

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dadurch gelöst, daß eine Einrichtung das der Hüllkurve proportionale Signal aufnimmt und damit das analoge Eingangssignal modifiziert und ein Wechselspannungssignal mit im wesentlichen konstanter Amplitude für den zweiten A/D-Umsetzer erzeugt. Es ist also ein Zweikanalumsetzer vorgesehen, welcher ein analoges Eingangssignal in zwei Teilsignale, ein Hüllkurvensignal und ein bezüglich der Amplitude normiertes Wechselspannungs-Kurvenformsignal trennt, welches im wesentlichen eine konstante Amplitude mit einigen ÜbergangsSchwankungen aufweist und die Signale dann in getrennten Kanälen in digitale Signale umwandelt. Das Hüllkurvensignal folgt in großen dynamischen Änderungen des analogen Signales, ist dabei aber auf die sich langsan ändernden Frequenzkomponenten begrenzt. Die höchste Hüllkurvenfrequenz liegt iii allgemeinen eine bis zwei Größenordnungen unter der Frequenz des Eingangssignales. Das Kurvenformsignal wird andererseits von einem Verhältnis des analogen Eingangssignales zu einer zeitlich abgetasteten Größe des Hüllkurvensignales entwickelt und enthält ein bezüglich der Amplitude normiertes Signal mit analogen Signalfrequenzkomponenten oberhalb derjenigen des Hüllkurvensignales.

Der Hüllkurvenkanal enthält einen Hüllkurvendetektor mit einem nachgeschalteten, mit schrittweiser Approximation arbeitenden A/D-Umsetzer für Hüllkurvenwörter, wogegen der Kurvenformkanal eine Signalnormierungsschaltung aufweist, welche das Verhältnis der Amplitude des analogen Eingangssignales zu einer zeitlich abgetasteten Amplitude des Hüllkurvensignales bildet und v/elcher ein zweiter A/D-Umsetzer nachgeschaltet ist. Zusätzlich ist an den Eingängen des Hüllkurvendetektors und der Signalnormierungsschaltung ein Doppelweggleichrichter vorgesehen, damit die Bemessung des Hüllkurvendetektors sowie die A/D-Umsetzung der Hüllkurvenwörter vereinfacht v/erden.

Der Aufbau mit zwei Kanälen hat den Vorteil, daß nicht gleichzeitig ein großes digitales Wort sowie eine hohe Umsetzungsfrequenz erforderlich ist. Das bedeutet, daß die für die A/D-

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Umsetzung der Hüllkurve verwendete Schaltung eine Wortgröße verwendet, die derjenigen eines einzigen Kanaluinsefczers gleicht, aber mit einer ümsetzungsgeschwindigkeit arbeitet, die langsamer als diejenige bei der herkömmlichen direkten Umsetzung ist· Die für die A/D-Umsetzung der Kurvenformsignale verwendete Vorrichtung erfordert zwar die gleiche Umsetzungsfrequenz wie das direkte Verfahren, macht jedoch eine relativ kürzere Wortgröße erforderlich. Jeder Kanal ergibt getrennte digitale Äusgangshülikurvenwörter und Kurvenformwörter, welche gewünschtenfalls miteinander multipliziert werden können, so daß eine digitale Darstellung des analogen Eingangssignales erhalten wird.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Äusführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert? es zeigern

Fig. 1 ein elektrisches Blockschaltbild der arfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 ein ausführlicheres Blockschaltbild einer bevorzugten ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines A/D-ürnsetzers - mit schritt* weiser Approximation für den Hullktzrvensignalkanal gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein Schaltbild der Verstärkunge-Schaiteinrichttsßg? welche in dem KurvenfoCTiaignalkanal games FIg* 2 verwendet wird;

Fig., 5 3€h«m«tlsch eil»· Schaltung 3«r

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- 5 einem Block in Fig. 2 und

Fig. 8 eine Tabelle des Quantisierungspegels und der Wahrheitstabelle für den mit Komplementen von zwei arbeitenden Kodierer.

Gemäß Fig. 1 ist ein Aufbau mit zwei Kanälen vorgesehen, durch welchen in dem einen Kanal ein digitales der Hüllkurve oder Amplitude proportionales Wort erzeugt wird und in dem anderen Kanal ein digitales bezüglich der Wellenform oder Amplitude normiertes Wort erzeugt wird. Einer Eingangsklemme 10 wird ein analoges Eingangssignal ö , zugeführt. Dieses Eingangssignal wird gleichzeitig einem Detektor 12, vorzugsweise einem Hüllkurvendetektor, und einer Signalnormierungsschaltung 14 zugeführt, die zusätzlich ein Normierungsreferenzsignal entsprechend einem Amplitudenabtastwert der Hüllkurve aufnimmt, das durch einen Teil des Hüllkurven-Wort-A/D-Umsetzers 16 erhalten wird, der als Eingangssignal den Ausgang des Hüllkurvendetektors 12 empfängt. Der A/D-Umsetzer 16 erzeugt ein digitales Ausgangswort E(i), welches mit einem digitalen Speicher 18 verbunden ist, der eine Ausgangsklemme 20 hat. Die Signalnormierungsschaltung 14 gibt ein Ausgangssignal ab, das bezüglich der Amplitude normiert und proportional dem Verhältnis von O_3n^₀₅ zu e_{Hüll {abgetastet)} ist.

Das normierte Signal umfaßt ein Kurvenformsignal, welches in ein digitales Wort W(j) mittels eines zweiten Kurvenformwort-A/D-Umsetzers 22 umgesetzt wird, wobei das digitale Wort W(j) einem entsprechenden digitalen Speicher 24 mit einer Ausgangsklemme 26 zugeführt wird.

Bevor die neuartige Schaltung im einzelnen beschrieben wird, werden einige allgemeine Betrachtungen über die Auswahl der Abtastfrequenzen, das Verhältnis zwischen Abtastfrequenzen und Speicherparametern und den Ausgang des A/D-Umsetzers während der Amplitudenänderungen betrachtet. Die primären Kriterien für die

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Wahl der Abtastfrequenz werden natürlich für den einzelnen Fall abgeleitet. Wenn beispielsweise eine Signalbandbreite eines analogen Eingangssignales zwischen 1 kHz und 100 kHz betrachtet wird, muß der Kurvenforrakanal eine Abtastfrequenz haben, die hoch genug ist, um die höchste Frequenz in dem Frequenzband zu verarbeiten. Das Abtasttheorem nach Nyquist erfordert, daß die Abtastfrequenz höher als 200 kHz gewählt wird, damit Informationsverluste vermieden werden. Die Abtastfrequenz des Hüllkurvenkanales braucht dagegen nur hoch genug zu sein, um die höchste Hüllkurvenfrequenz der Detektorschaltung zu verarbeiten. Diese Frequenz muß bezüglich des Betrages der Änderung der Amplitude der Hüllkurve betrachtet werden, welche zwischen zwei Abtastungen auftreten kann, sowie bezüglich der möglichen Sättigung des Kurvenformkanales. Zusätzlich sollten die Abtastfrequenzen des Hüllkurvenwortkanales und des Kurvenformwortkanales derart gewählt v/erden, daß die Adressierung des Speichers erleichtert wird. Jedes digitale Hüllkurvenwort ist auf verschiedene Kurvenformwörter bezogen. Beispielsweise könnten 32 digitale Kurvenformwörter mit einem Hüllkurvenwort verknüpft werden.

Die in den beiden Kanälen stattfindenden Erscheinungen während der Änderungsperioden der Signalamplitude werden im folgenden betrachtet. Typische interessierende Situationen bestehen darin, daß die steigenden und fallenden Flanken eines Impulses elektromagnetischer Energie oder das hörbare Signal einer Schallquelle aufgenommen werden soll. Während einer Periode der Amplitudenänderung versucht das Hüllkurvensignal der Änderung zu folgen und über den Normierungsprozess das Kurvenformwort innerhalb des Dynamikbereiches des Kurvenform-A/D-ümsetzerkanales zu halten. Wenn aus irgendeinem Grund das Hüllkurvenwort nicht der mathematischen Hüllkurve des eintreffenden Signales entspricht, d.h. genau der Eingangshüllkurve folgt, kompensiert die Amplitude der normierten Kurvenform dieses derart, daß das Produkt des Wortpaares E(i) und W(j) noch dem eintreffenden Signal entspricht.

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Ss wird jetzt Bezug genommen auf Fig. 2, welche die derzeit als bevorzugt angesehene Ausführungsform der Erfindung darstellt· Ein Präzisions-Doppelweggleichrichter 28 ist zusätzlich vorgesehen und folgt unmittelbar der Eingangsklemme 10, damit Bemessungsprobleme des Hüllkurvendetektors 12 und die A/D-ümsetzung der Kuryenform vereinfacht werden. Das Signal e, entspricht dem analogen Eingangssignal in Fig. 1· Die Gleichrichterschaltung 28 ergibt zusätzlich zu einem gleichgerichteten Signal &2 ^es Singangssignales e^ ein zweites gleichgerichtetes äus-^ gangssignal e₃, welches die Polarität oder das Vorzeichen des Eingangssignales e^ anzeigt. Das gleichgerichtete analoge Signal e₂ wird dem Hüllkurvendetektor 12 zugeführt, der ein analoges Hüllkurvensignal e. erzeugt, welches wiederum einem A/D-Urasetzer 16 mit schrittweiser Approximation zugeführt wird, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde. Der Kurvenformwortkanal gemäß Fig. 2 enthält eine Verstärkungs-Schalteinrichtung 30 zur Aufnahme des gleichgerichteten analogen Signaies eg von dem Gleichrichter 28 und eine zeitlich abgetastete Hüllkurven-Spannungsamplitude eg vom A/D-Umsetzer 16, der zur Normierung als Beferenzglied arbeitet. Mit der Verstärkungs-Schalteinrichtung 3O ist eine Schaltung 32 zum Quantisieren, Abtasten und Speichern verbunden; die von dieser ein analoges Eingangssignal 3g entsprechend einer bezüglich der Verstärkung veränderten Version des Signalee e, und ein Referenzsignal e₇ erhält, welches einer bezüglich der Verstärkung modifizierten Version des Signales -Sg entspricht. Auch wird das Polaritätssignal e^ vom Gleichrichter 28 zugeführt. Die Schaltung 32 arbeitet atsf einen digital«» Kodierer 34, der das Komplement su awei bildete Der ausgang d·«- Kodierer· 34 gibt vier digitale Signalbits Wö_# WI, W2 und if 3 in dem Format äm& Komplements zn stföi ab, tfalche üann

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soll diese hinreichend kurz sein, so daß das Signal innerhalb einer vernünftigen Zeitspanne abklingen kann. Etwas Rauschen zwischen den Spitzenwerten ist unvermeidbar· Es ergibt sich jedoch kaum ein Problem bei ansteigenden Signalen, beispielsweise der Vorderflanke eines Signalimpulses. Der Hüllkurvendetektor 12 folgt allen Signalen innerhalb des Durchlaßbandes bis zur Spitzenspannung mit einer vernachlässigbaren Zeitverzögerung. Zwischen-Signalspitzen und bei abfallenden Signalen, beispielsweise der Rückflanke eines Impulses, entspricht der Detektorausgang nicht genau der mathematischen Hüllkurve. Das Hüllkurvensignal e* braucht jedoch nicht der mathematischen Hüllkurve bei dem Aufbau in Fig. 2 zu entsprechen. Das Hüllkurvensignal e* braucht nur einen vernünftigen Schätzwert der Amplitude des Eingangssignales darzustellen, so daß der Dynamikbereich des normierten Kurvenforrasignales e_g klein ist. Wie schon angemerkt wurde, stellt das Produkt des digitalen Kurvenformwortes und das digitale Hüllkurvenwort genau das Eingangssignal e-^ dar, selbst wenn das Hüllkurvensignal e₄ von der mathematischen Hüllkurve abweicht.

Der Ä/D-ümsetzer 16 ist seinerseits bekannt. Zur Erläuterung ist er jedoch in dem Blockdiagramm in Fig. 3 dargestellt. Sr enthält eine Äbtast- und Speicherschaltung 38, welche das analoge Signal e₄ an der Klemme 39 aufnehmen kann, welches die Hüllkurve des Singangssignales S₁ darstellt. Die Äbtast- rniä Halteschaltung 38 tastet periodisch das analoge Eingangssignal e^ entsprechend 3±nera Hüllkurven-Äbtaststeuersignal SSH ab, welches diesem von einem Steuerwerk und einer Ausgangsspeicherschaltung 40 über eine Leitung 42 zugeführt wird= Der Augenblickswert des Aroplitudenpegels der abgetasteten Hüllkurve erscheint auf der Leitung 44 und wird gleichseitig einem Komparator '^r<mä einem D/A-ümsetzer 4β wad d©r '/erst&rkuagsschalteinriGhtisng 32 isa Uig, 2 Kittels •äiraer Elsaia© 47 n-ageführt und iaafaBt das moasierte Referenssigaal e^o Die Schaltung 4β arbeitet mit elsa Steuerwerk und der &usgFings3pe±Ghersshal-fcung 40 gnsasämsn υηά gibt aas digitale Hüll-

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signal CLK, welches an der Klemme 49 von einem nicht dargestellten Taktgeber abgegeben wird. Die Schaltung nimmt ein Hauptrücksetzeingangssignal MR auf, das an der Klemme 52 zugeführt wird und das Hüllkurvenausgangswort E(i) am Ausgang während der Einschaltungsfolge der Leistung steuert, wenn die Leistung der Schaltungsanordnung zunächst zugeführt wird. Dann wird ein Eingangslogiksignal THR der Klemme 53 zugeführt, durch welches der Ausgang des A/D-Umsetzers für ungültige Signale ausgetastet wird, die durch die Prüfung der eintreffenden Signale bezüglich Schwellwerten der Frequenz, der Dauer und der Amplitude herausgefunden werden. Eine solche Einrichtung ist in den meisten Signalverarbeitungssystemen vorhanden, wobei das Prüfen normalerweise vor der Schaltung erfolgt. Das Steuerwerk und die Ausgangsspeicherschaltung 40 erzeugen ein digitales Näherungswort APX, welches an den Komparator und die D/A-Umsetzerschaltung 46 mittels einer Leitung 54 zurückgeführt wird. Dieses Näherungswort ist in ein analoges Signal umgesetzt und. wird mit dem analogen Signal auf der Leitung 44 verglichen, wobei das Fehlersignal CMP an das Steuerwerk und die Ausgangsspeicherschaltung 40 mittels der Leitung 56 zurückgeführt wird. Der schrittweise Näherungsvorgang umfaßt daher typischerweise den Vergleich des erzeugten digitalen Ausgangswortes, gegenüber dem analogen Eingang, bis das Vergleichssignal in die digitale Ausgangsschaltung zurückgespeist und auf einen vorbestimmten Pegel reduziert worden ist.

-Dieser Vorgang spielt sich in der Schaltung gemäß Fig. 3 ab. Zusätzlich ergeben das Steuerwerk und die Ausgangsspeicherschaltung 40 ein Auslösesignal WSH für den Kurvenfontiwortkanal an der Klemme 58 für die Schaltung 32 (Fig. 5) zur Quantisierung, Abtastung und Speicherung und für das Synchronisierverzögerungsregister 36 (Fig. 7) zur Synchronisierung des digitalen Hüllkurvenwortes E(i) mit dem digitalen Kurvenformwort W(j).

Es wird jetzt die Verstärkungs-Schalteinrichtung 30 in Fig. 4 erläutert. Diese Schaltung dient dazu, einen vernünftigen Eingangsspannungspegel für die Quantisierungsschaltung zu erhalten, welche unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben werden wird. Fig. 4 ent-

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hält ein Paar Eingangsklemmen 60 und 62 und ein Paar Ausgangsklemmen 64 und 66. Das abgetastete analoge Hüllkurvensignal e,-von der Äbtast- und Speicherschaltung 38 (Fig. 3) des A/D-Umsetzers 16 wird der Eingangsklemme 60 zugeführt. Das gleichgerichtete analoge Eingangssignal e~ vom Gleichrichter 28 wird der Eingangsklemme 62 zugeführt. Der Schaltungsaufbau in Fig. 4 umfaßt zwei getrennte Verstärkungs-Schalteinrichtungen 68 und mit ähnlichen Eigenschaften, und zwar eine für das abgetastete Hüllkurvensignal e₅ und eine für das analoge Signal e^· Die . Verstärkungs-Schalteinrichtung 68 umfaßt einen Verstärker 72 mit Einheitsverstärkung, der durch einen Transistorschalter 74 in Basisschaltung ein- und ausgeschaltet wird, und einen parallelgeschalteten (K=n) Verstärker 76, der durch den Transistorschalter 78 in Basisschaltung ein- und ausgeschaltet wird. Die Transistorschalter 74 und 78 sind mit dem Ausgang des Inverters 80 bzw. dem Ausgang eines Komparatorverstärkers 82 verbunden. Der Komparator 82 erhält als einen Eingang die abgetastete Hüllkurvenspannung er; die der Eingangsklemme 60 zugeführt wird, während das zweite Eingangssignal aus einer festen Referenzspannung besteht, die durch Widerstände 84, 86, 88 und 90 definiert ist. Die Ausgänge der Verstärker 72 und 76 sind gemeinsam mit einem Pufferverstärker 92 verbunden, dessen Ausgang mit der Ausgangsklemme 64 verbunden ist.

/ienn im Betrieb die Amplitude der abgetasteten Hüllkurvenspannung e₅ über einem bestimmten Pegel liegt, ist der Verstärker 76 (K=n) abgeschaltet und der Verstärker 72 mit der Einheitsverstärkung ist eingeschaltet. Wenn jedoch die Amplitude unter diesen vorbestimmten Pegel fällt, wird der Verstärker 76 eingeschaltet, während der Verstärker 72 seinen Schaltzustand ändert und abschaltet. Der gleiche Vorgang spielt sich bei der Verstärkungs-Schalteinrichtung 70 ab, die einen Verstärker 94 mit Einheitsverstärkung und einen Verstärker 96 (K=n) aufweist, der durch die Transistorschalter 98 und 100 gesteuert ist. Wie in dem beschriebenen Schaltkreis, ist der Transistorschalter 98 mit dem Ausgang des Inverters 80 verbunden, wogegen der Transistor-

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schalter 100 mit dem Ausgang des !Comparators 82 verbunden ist· Die Verstärkungen der Verstärker 76 und 96 sind im wesentlichen identisch, und es ist ersichtlich, daß beide entweder gleichzeitig eingeschaltet oder abgeschaltet sind und dadurch die Verstärkung des analogen Signales e₂ gleichzeitig mit der Verstärkung des abgetasteten Hüllkurvensignales er verändert wird. In ähnlicher Weise sind die Ausgänge der Verstärker 94 und 96 parallel mit dem Pufferverstärker 102 verbunden, dessen Ausgang mit der Ausgangsklemme 66 verbunden ist. Entsprechend ergeben die Ausgangsklemmen 64 und 56 ein analoges Referenz-Gleich- , Spannungssignal e_ = K χ e₅, während die Ausgangsklemme 66 ein analoges Gleichspannungssignal eg = K χ e₂ führt, wobei K gleich 1 oder η ist.

In Fig. 5 sind die Eingangsklemmen 104, 106 mit den Klemmen 66 und 64 gemäß Fig. 4 verbunden, während ein für die Polarität signifikantes Gleichspannungssignal der Klemme 108 vom Gleichrichter zugeführt wird. Das Gleichspannungs-Referenzsignal e_ für die analoge Normierung wird der Eingangsklemme 106 und einem Widerstandsnetzwerk 110 mit sieben Referenzspannungsklemmen 112, 114, 116, 118, 120, 122 und 124 sugeführto Die Klemmen für die Spannungspegel Il2_oe«124 sind wiederum mit einem ähnlichen An·* Schluß aus sieben Komparatorverstärkern 126, 128, 130, 132, 134, 136 und 138 verbunden, von denen jeweils ein Eingangssignal durch das analoge Gleichspannungssignal eg gebildet wird, welches der Eingangsklemme 104 zugeführt wird, so daß sieben digitale Signale erzeugt werden, die auf den Leitungen 140, 142, 144 _ff 146, 148 _e 150 und 152 erscheinen. Ein achter Komparatorverstärker 154 hat .einen mit Masse oder Nullpotential verbundenen Eingang, während der andere Eingang mit der Eingangsklemme 108 verbunden ist_ff welcher das Polaritätssignal e₃ zur Erzeugung des Vorzeichenfoits angeführt wird» Das Wetawerk ilö und die Komparator©!* 12βο_ΟΟ138 land 154 messen «nd quanfcisieren das Verhältnis des Augenblickswertes des analogen Kurvenformsignales eg se den Bruchteilen des .Referenzsignales e„ sowie deren Polarität₀ Ein© Speicherschaltung 158 für aeht Bits kann aus einem ehialen Speicheraiodul

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für vier Bits bestehen und dient zur Abtastung und Speicherung des Quantisierungsausgangsignales. Die ersten vier Ausgangsleitungen 140, 142, 144 und 146 von den Komparatoren 126, 128 und dergleichen sind mit dem oberen vier Bit Speicher 160 an den Anschlüssen D3, D2, Dl und DO verbunden. Der"*Speicher wird durch ein mit diesem verbundenes UND-Verknüpfungsglied 162 ausgelöst, welches ein Steuersignal WSH für die Abtastung eines Kurvenformwortes von dem Steuerwerk und der Ausgangsspeicherschaltung 40 in Fig. 3 an der Klemme 161 empfängt. Auch kann ein Rücksetzsignal MR der Klemme MR über die Verbindung 163 zugeführt werden. Die Anschlüsse Q3, Q2, Ql und QO des Speichers 160 für vier Bits ergeben Ausgangssignale entsprechend /MS»^>5» J^ und^3 an den Klemmen 164, 166, 168 und 170. Der zweite Speicher 172 für vier Bits hat identische Anschlußzahlen und ein UND-Verknüpfungsglied 174, welches ebenfalls ein Auslösesignal WSH vom Anschluß 161 sowie ein Rücksetzsignal MR vom Anschluß 175 empfangen kann. Die Ausgangsanschlüsse Q3, Q2, Ql und QO des Speichers 172 ergeben jedoch entsprechende Ausgangssignale^>2,^1J^O bzw. W3 an den Klemmen 176, 178, 180 und 182, wobei W3 die Polarität oder das Vorzeichen angibt.

Die Ausgangssignale t^6, H>5, ...^O und W3 von den Speichern 160 und 172 werden zwei Prioritätskodierern 184 und 186 für acht Eingänge zugeführt. Die Ausgangssignale5"6, ^>5, ... W3 werden den Anschlüssen 7, 6, ... bzw. E des Kodierers 184 zugeführt. Bezüglich des Kodierers 186 werden jedoch die Ausgangssignale ^6r ^5 ... W3 mit der Ausnahme ^O den Anschlüssen 2, 3, ... E durch die Inverter 188, 190, ... 200 zugeführt. Die AO Ausgangsanschlüsse der Kodierer 184 und 186 sind mit einem NAND-Verknüpfungsglied 202 verbunden, welches ein. Ausgangsbit WO eines Vier-Bit-Wortes an der Klemme 204 abgibt. Das zweite Bit Wl ist durch die Al-Ausgangsanschlüsse der Kodierer 184 und 186 gebildet, die dem NAND-Verknüpfungsglied 206 zugeführt werden, das mit der Äusgangsklemme 208 verbunden ist. In ähnlicher Weise werden die Ausgangsanschlüsse A2 der Kodierer 184 und 186 dem NAND-Verknüpfungsglied 210 zugeführt, das das Bit W2 am Ausgang

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212 abgibt. Das vierte Bit W3 bildet das Vorzeichenbit und erscheint an der Klemme 214, die mit dem Ausgangsanschluß QO des Speichers 172 durch die Leitung 215 zurückverbunden ist.

Das digitale Wort (Komplement zu zwei) WO, Wl, W2, W3 wird dann einem Synchronisierungs-Verzögerungsregister 36 gemäß Fig. 7 zugeführt. Register 216, 218, 220 bzw. 222 empfangen die digitalen Wortbits W3, W2, Wl und WO an den Eingangsklemmen 224, 226, 228 und 230. Das Steuersignal WSH für das Kurvenformabtastwort von dem Steuerwerk und der Ausgangsspeicherschaltung 40 in Fig. 3 wird auch den Synchroneingangsklemmen CP der Register 216, ... 222 am Anschluß 231 zugeführt und es erscheint dann das kodierte Wort WO, Wl, W2, W3, welches das Kurvenformwort W(j) bildet, an den Anschlüssen 232, 234, 236 bzw. 238. Das komplementäre Ausgangssignal WO, WI, W2, W3 erscheint an den Anschlüssen 240, 242, 244 und 246.

Die in Fig. 7 dargestellte Wahrheitstabelle erläutert den Betrieb der A/D-Umsetzung des normierten Signales. Die Tabelle zeigt sieben PegelJ>0, >T ...^6 in dem aus vier Bits bestehenden kodierten Wort der Kurvenform für ein analoges Eingangssignal mit positiver und mit negativer Polarität. Die Verzögerung des Hüllkurvensignales bei ansteigenden Signalen ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auslegung der Schaltungsanordnung. Für solche Verzögerungen gibt es zwei Gründe: Der Hüllkurvendetektor 12 kann nur eine Näherung an die mathematische Form der Hüllkurve ergeben, und die mathematische Form der Hüllkurve ändert sich zwischen Abtastungen des Hüllkurvenwortes. Es kommt vor, daß der Detektor ansteigenden Signalen mit vernachlässigbarer Verzögerung folgt, aber es ergibt sich ein Abfall zwischen den Signalspitzen. Eine Signaländerung zwischen den Abtastsignalen der Hüllkurven ist daher ein Hauptfaktor, der eine A/D-Sättigung des Kurvenformkanales hervorrufen kann. Der Kurvenformkanal wird während einem oder zwei Abtastintervallen gesättigt aber funktioniert richtig nach drei oder mehr Abtastungen e,-· Der Verlust der Signalgenauigkeit bei einem oder zwei Hüllkurvenabtastintervallen am 3eginn eines langen Eingangssignales hat keine wesent-

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lichen Folgen. Jedoch treten ansteigende Abschnitte in der Hüllkurvenamplitude auch an anderen Punkten statt der Vorderflanke auf, und es muß vermieden werden, daß der Kurvenform-A/D-Kanal über den Vollausschlag hinaus belastet wird. Die Auslegung dieses Kanales nimmt dieses Erfordernis durch die Verwendung einer versetzten Skala vorweg. Wenn das Verhältnis der Kurvenformabtastung zu der Hüllkurvenabtastung eins ist, wird ein Kurvenformwort W(j) etwas unterhalb des Vollausschlages erzeugt. Dieses erfolgt durch einen kleinen Abschwächungsbetrag, beispielsweise 6/7 durch die Widerstände 248 und 250 gemäß Fig. 4. Das binäre Wellenformwort aus den Komparatoren 126, 128, 130, 132, 134, 136 und 138 in Fig. 5 ist eine numerische Darstellung proportional dem Verhältnis der augenblicklichen Signalspannung e₂ zu der abgetasteten Hüllkurvenspannung er. Wenn das Hüllkurvenwort dem binären Wert 6 entspricht, ist das Verhältnis eins. Der volle Skalenausschlag entspricht einer binären 7 und dadurch kann der Augenblickswert der Spannung über den abgetasteten Wert der Hüllkurve ohne eine Sättigung der Hüllkurvenguantisierungseinrichtung in Fig. 5 ansteigen.

Jedes Hüllkurvenwort E(i) ist auf verschiedene Kurvenformwörter W(j) bezogen. Beispielsweise können 32 Kurvenformwörter mit einem Hüllkurvenwort verknüpft werden. Daher muß sich eine gerade Zahl ergeben, wenn man das Hüllkurvenabtastintervall durch das Kurvenformabtastintervall teilt.

Wenn entsprechende digitale Wörter E(i) und W(j) aus den entsprechenden Speichern entnommen v/erden sollen, ist das ganzzahlige Verhältnis zwischen den Abtastzeiten wichtig. Entsprechend wird das Wort W(j) mit dem Wort E(nj/32) in dem genannten Ausführungsbeispiel verknüpft. Die Verhältnisse zwischen den Abtastfrequenzen und den Speicherparametern sind als ganzzahliges Verhältnis zwischen den Abtastintervallen ausgedrückt, und (
ist.

und es ist daher sehr bequem, wenn diese ganze Zahl gleich 2

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Während der Hüllkurvenwortkanal genau den ansteigenden Signalen mit vernachlässigbarer Verzögerung folgt, gibt der Kurvenformwortkanal ein Ausgangssignal entsprechend schnellen Änderungen in der analogen Kurvenform ab, und das Produkt des Hüllkurvenwortes E(i) und des Kurvenformwortes W(j) stellt genau das Eingangssignal dar, selbst wenn eine Abweichung von der mathematischen Form der Hüllkurve des Eingangssignales vorgekommen ist.

Gewünschtenfalls kann die Erfassung der Hüllkurve durch einen den Mittelwert bildenden Detektor anstelle eines Spitzendetektors erfolgen. Das Referenzsignal zur Normierung und das Hüllkurvenwort müssen dann mittels eines Multiplikationsfaktors eingestellt werden, um die Amplitude der Hüllkurve zu setzen.

Ein bedeutender Vorteil der neuartigen Schaltungsanordnung gegenüber der A/D-Umsetzung besteht darin, daß bei einer Signalverarbeitungseinrichtung mit direkter Umsetzung wenigstens dreimal mehr Speicherplätze erforderlich sind. Zusätzlich kann eine wesentlich teuere Signalverarbeitungseinrichtung durch zwei Signalverarbeitungseinrichtungen mit beträchtlich weniger Kosten ersetzt werden. Daher rechtfertigt sich das analoge Eingangssignal e·, zur Erzeugung eines Gleichspannungssignales &2> welches auf zwei Signalpfade aufgeteilt wird und zunächst dem Hüllkurvenkanal mit dem Hüllkurvendetektor 12 und dem A/D-ümsetzer 16 zugeführt wird, der mit schrittweiser Näherung arbeitet. Dieser erzeugt ein digitales Hüllkurvenwort E(i) und kann auch ein abgetastetes Hüllkurvensignal e,- und ein Steuersignal WSH zur Steuerung und Synchronisation erzeugen. Das Signal e~ wird dann einem parallelen Kurvenformkanal zugeführt, der das Eingangssignal e₂ normiert und dem eine Verstärkungsschaltstufe 30 und ©in A/D-ümsetzer und Speicher 32 folgt. Der Dekodierer 34 leitet dann ein digitales Wort WO ... W3 mit vier Bits ab, das einem Synchronisations-Verzögerungsregister 35 zugeführt wird, so daß ein auf den Zeitpunkt bezogenes digitales Kurvenformwort W(j) zumit E(i) abgegeben werden kann? und durch Multiplikation

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der beiden Wörter eine digitale Darstellung des Eingangssignales e-, erhalten wird.

Patentansprüche;

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Claims

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Patentansprüche :

Zweikanal-A/D-Umsetzer mit einem ersten Kanal mit einer Schaltung zum Erzeugen eines über der Zeit abgetasteten Signales, welches proportional der Amplitude der Hüllkurve eines analogen Wechselspannungseingangssignales ist, einem ersten mit dieser verbundenen digitalen A/Ö-Umsetzer und einem zweiten Kanal mit einem zweiten A/D-ümsetzer an einem Ausgang, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Kanal eine Einrichtung (14) zur Aufnahme des der Hüllkurve proportionalen Signales und zur Veränderung des analogen Eingangssignales mittels dieses proportionalen Signales und zum Erzeugen eines Wechselspannungssignales mit einer im wesentlichen konstanten Amplitude für den zweiten A/D-ümsetzer (22) aufweist.

Zweikanal-A/D-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung zum Erzeugen eines der Hüllkurve proportionalen Signales einen Detektor (12) mit einem Signalgleichrichter (28) zur Abgabe eines analogen Hüllkurvensignales aufweist.

Zweikanal-A/D-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgleichrichter aus einem Doppelweg-Gleichrichter (28) besteht.

Zweikanal-A/D-Umsetzer nach einem der Ansprüche' 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der erste A/D-Umsetzer (16) eine Steuerschaltung aufweist, die mit dem zweiten A/D-Umsetzer (22) zum Betrieb in vorbestimmten ZeitIntervallen verbunden ist.

Zweikanal-A/D-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste A/D-

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Umsetzer aus einem A/D-Umsetzer (16) mit schrittweiser Näherung besteht, der eine Steuerschaltung aufweist, die mit dem zweiten A/D-ümsetzer (22) verbunden ist und diesen synchron zu vorbestimmten Abtastzeiten einschaltet.

6. Zweikanal-A/D-Umsetzer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Modifizieren und Erzeugen eines im wesentlichen konstanten Signales ein Spannungsteilernetzwerk (110 aufweist, das zwischen dem abgetasteten, analogen, der Hüllkurve proportionalen Signal und einem Punkt des Bezugspotentiales verbunden ist und eine Anzahl von Bezugsspannungspegeln (112 ... 124) abgibt, mehrere Spannungskomparatoren (126 ... 138) mit zwei Eingängen vorgesehen sind, von denen jeweils ein Eingang gemeinsam an ein gleichgerichtetes analoges Eingangssignal angeschlossen ist und der andere Eingang an ein getrenntes BezugsSpannungspotential des Spannungsteilernetzwerkes angeschlossen ist und entsprechende

Ausgangssignale von den Komparatoren entsprechend dem Verhältnis des gleichgerichteten analogen Eingangssignales zu Bruchteilen des abgetasteten, analogen, der Hüllkurve proportionalen Signales erzeugt werden.

7. Zweikanal-A/D-Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Verstärkungs-Schalteinrichtung (30) auf die Amplitude des abgetasteten Hüllkurvensignales anspricht, das dem Eingang der Einrichtung zur Modifizierung und Erzeugung eines im wesentlichen konstanten Signales zugeführt ist und die Einrichtung (30) den Verstärkungsfaktor zwischen ausgewählten Verstärkungswerten des abgetasteten Hüllkurvensignales umschaltet, das zwischen dem Spannungsteilernetzwerk (110) und dem gleichgerichteten, analogen Eingang für die Vielzahl von Komparatoren (126 ... 138) zugeführt ist.

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8. Zweikanal-A/D-Umsetzer nach Anspruch 7, dadurch gekenn ζ e i chnet, daß die Verstärkungsschalteinrichtung (30) eine Schaltung zur gleichzeitigen Änderung des Verstärkungsfaktors des abgetasteten analogen Hüllkurvensignales und des gleichgerichteten analogen Eingangssignales um einen vorbestimmten Betrag entsprechend der Amplitude des abgetasteten analogen Hüllkurvensignales aufweist. (Fig. 4)

9. Zweikanal-D/A-ümsetzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite D/A-Umsetzer eine Speicherschaltung (32) aufweist, die mit den entsprechenden Ausgängen der Spannungskomparatoren (126 ... 138) I- verbunden ist und zusätzlich eine Schaltung, die wahlweise durch die Steuerschaltung des ersten A/D-Umsetzers

(16) betätigbar ist, und einen digitalen Kodierer (34) aufweist, der mit der Speicherschaltung (32) verbunden ist und ein zweites digitales Ausgangswort erzeugt.

10. Zweikanal-A/D-Umsetzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der digitale Kodierer (34) Komplemente von zwei bildet.

11. Zweikanal-A/D-Umsetzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß ein synchronisiertes Verzögerungsregister (36) wahlweise durch die Steuerschaltung des ersten A/D-Umsetzers (16) einschaltbar und mit dem Ausgang des Kodierers (34) verbunden ist.

12. Zweikanal-A/D-Umsetzer nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet _y daß der Detektor ein Mittelwertdetektor ist.

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