DE2852095A1 - Analog-digital-wandlung mit stufenweiser approximation eines digitalsignals an ein umzusetzendes analogsignal - Google Patents

Analog-digital-wandlung mit stufenweiser approximation eines digitalsignals an ein umzusetzendes analogsignal

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DE2852095A1 DE19782852095 DE2852095A DE2852095A1 DE 2852095 A1 DE2852095 A1 DE 2852095A1 DE 19782852095 DE19782852095 DE 19782852095 DE 2852095 A DE2852095 A DE 2852095A DE 2852095 A1 DE2852095 A1 DE 2852095A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 3798 BRD
Analog-Digital-Wandlung mit stufenweiser Approximation eines Digitalsignals an ein umzusetzendes Analogsignal
Die Erfindung betrifft eine Analog-Digital-Wandlung mit stufenweiser Approximation eines Digitalsignals an ein umzusetzendes Analogsignal, wobei dem einen Eingang eines Komparators das Analogsignal und dem anderen Eingang des Komparators das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Wandlers zugeführt wird, der eingangsseitig mit dem Digitalsignal beaufschlagt ist.
Derartige Analog-Digital-Wandlungen sind aus dem Buch von Lange "Digital-Analog bzw. Analog-Digital-Wandlung11 Oldenbourg Verlag, München Wien 1974, Seiten 25 bis 45 bekannt. Es kann sich dabei um Analog-Digital-Wandlungen mit kontinuierlicher treppenförmiger Annäherung handeln, bei der der Digitalwert durch Durchzählen eines Vorwärts Zählers verändert wird. Ebenso kann es sich um eine sukzessive Annäherung handeln ,bei der die
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VPA 78 P 3798 BRD verschiedenen Digitälstellen eines Speichers nacheinander von einer Steuerlogik abgefragt werden. Der Speicher kann sowohl rein binär als auch in BCD-Code ausgeführt sein.
Bei all diesen Verfahren ist die Genauigkeit des erzeugten Digitalwertes durch das niedrigstwertige Bit (LSB) des Digitalwertbildners, also z. B. des Zählers oder des Speichers festgelegt.
.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, bei einer Analog-Digital-Wandlung der eingangs genannten Art die Auflösung gegenüber der des verwendeten Digital-Analog-Wandlers ohne großen Aufwand erheblich zu steigern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Analogsignal oder zum Ausgangssignal des Digital-Analog- Wandlers eine Rampenfunktion addiert wird, deren Maximalwert annähernd der Größe des niedrigstwertigen Bits des Digital-Analog-Wandlers und deren Zeitdauer annähernd einem Vielfachen der Zeitdauer der stufenweisen Approximation entspricht, unddaß während der Zeitdauer der Rampenfunktion der arithmetische Mittelwert mehrerer nach jeweils einer stufenweisen Approximation vorliegender Digitalsignale gebildet wird.
Durch die Addition einer Rampenfunktion mit dem Maximalwert von etwa einem LSB des Digital-Analog-Wandlers beispielsweise zum Analogsignal und durch arithmetische Mittelwertbildung über mehrere Wandlungen während der Zeitdauer der Rampenfunktion wird die Auflösung erhöht. Je mehr Wandlungen für die Mittelwertbildung herangezogen werden, umso größer wird die Steigerung der Auf-
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lösung. Geht man z.B. von einem 8-Bit Digital-Analog-Wandler mit einer 12-Bit Linearität aus und mittelt man über 2 = 16 Wandlungen, so ergibt das eine Auflösung, die der eines 12-Bit Wandlers .entspricht. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Digital-Analog-Wandlung besteht also in der Verwendung eines einfachen (mit geringer Auflösung) und damit preisgünstigen Digital-Analog- Wandlers . Außerdem ist, wenn man bei dem Beispiel bleibt, nur eins8-Bit Busankopplung notwendig.
Das entspricht genau der Größe eines Ports. Weiterhin braucht das Approximationsprogramm nur für diese 8-Bit ausgelegt zu sein. Zusätzlich ist lediglich eine 12-Bit Addition der Wandlungsergebnisse erforderlich.
Entspricht der Maximalwert dfer Rampenfunktion nicht exakt einem LSB, oder ist ihre Zeidauer nicht genau gleich einem Vielfachen einer Wandlung, so wird dadurch die erzielte Auflösungssteigerung etwas geringer, am Prinzip ändert sich nichts.
Als Rämpenfunktion kann eine stetig ansteigende Funktion verwendet werden, wie sie beispielsweise einem Säge zahngenerator entnehmbar ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rampenfunktion eine Treppenkurve mit gleich großen Stufen darstellt und daß die Zeitdauer jeder Stufe gleich der Zeitdauer der stufenweisen Approximation ist. Soll z. B. über 2m-Wandlungen gemittelt werden, so ergibt sich die größte Auflösungsverbesserung bei einer Treppenkurve mit 2m^Stu£en von der Größe 1/ja LSB. Für jede Wandlung im Rahmen der 2m-Wandlungen ändert sich an dem auch mit der Rampenfunktion beaufschlagten Eingang des Komparators die Signalgröße um den 2m'ten Teil des niedrigstwertigen Bits des Digital-AnalQg-Wandlers.
Für eine gewisse Anzahl von Wandlungen ergibt sich zunächst ein Digitalwert, der auch ohne die Rampenfunktion
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entstanden wäre. Dieser Digitalwert entspricht einem Analogwert, der im allgemeinen von dem Wert des umzusetzenden Analogsignals etwas abweicht. Wenmdie Summe aus dieser Abweichung und der Rampenfunktion ein LSB ergibt, dann ändert sich bei dieser unlden folgenden Approximationen der ermittelte 'Digitalwert. Er erhöht sich um ein LSB. Aus dem Verhältnis der Anzahl der Wandlungen, bei denen sich ein erhöhter Digitalwert ergibt, zur Gesamtzahl der zur Mittelwertbildung herangezogenen Wandlungen lassen sich zusätzliche Digitalstellen kleinerer Wertigkeit bestimmen.
Die Rampenfunktion kann ebenso wie das umzusetzende Analogsignal von außen zugeführt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Digital-Analog-Wandler vor Beginn jeder Approximation kurzzeitig so angesteuert wird, daß sein auf ein Speicherglied (sample and hold) gegebenes Ausgangssignal- gegebenenfallsnach einer Spannungsteilung dem jeweils benötigten Stufenwert der Treppenkurve entspricht. Auf einen externen Funktionsgeber kann dadurch verzichtet werden.
Um die erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandlung mögliehst unempfindlich gegen Störwechselspannungen zu machen, ist vorteilhafterweise die Zeitdauer, über die der arithmetische Mittelwert gebildet wird, auf die Periodendauer einer dem Analogsignal überlagerten : Störwechselspannung abgestimmt. Man erreichtdadurch eine quasi integrierende Analog-Digital-Wandlung, wie sie für die bekannten Analog-Digital-Wandlungen bereits in dem Buch "Prozessrechner" von Anke, Kaltenecker, Oetker, Oldenbourg Verlag München Wien, 1970, Seiten 114 und 115 beschrieben ist.
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Für einen Analog-Digital-Wandler mit einem Digitalwertbildner, einem Komparator und einem Digital-Analog-Wandler zur Durchführung einer erfindungs gemäß en Analog-Digital-Wandlung empfiehlt es sich, daß der Digitalwertbildner und der Digital-Analog-Wandler für η Bit ausgelegt ist, wobei der Wandler eine Linearität von ·<. η + m Bit besitzt, und daß ein Addierglied für η + m Bit vorgesehen ist, dem die Signale des Digitalwertbildners nach jeder von 2m stufenweisen Approximationen zugeführt werden. Als Digitalwertbildner' können von einem Taktgenerator angesteuerte Vorwärtszähler oder auch von einer Steuerlogik angesteuerte digitale Speicher verwendet werden. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung ergibt sich, wenn der Digitalwertbildner und der Addierer Teile eines Mikroprozessors sind.
In den bisherigen Ausführungen war stets nur von der Analog-Digital-Wandlung eines einzigen umzusetzenden Analogsignals die Rede. Vorteilhaft läßt sich die erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandlung oder ein danach arbeitender Analog-Digital-Wandler auch für k-Analogsignale einsetzen. Dabei können beispielsweise ein Mikroprozessor und ein Digital-Analog-Wandler und k-Eingangsports und k-Komparatoren vorgesehen sein.
Anstelle der k-Eingangsports kann ein Eingangsport und ein digitaler Multiplexer eingesetzt werden. Die k-Komparatoren können durch einen einzigen Komparator und einen analogen Multiplexer ersetzt werden.
Prinzipiell kann für die erfindungsgemäße Analög-DigitalWandlung jeder Digital-Analog-Wandler verwendet werden. Wählt man z. B. einen DigitaMnalog-Wandler mit gewerteten Widerständen, wie er aus dem Buch von Lange "Digital-Analog bzw. Analog-Digital-Wandlung" Oldenbourg-Verlag München Wien 1974, Seite 23, Bild 5
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- I - VPA 78 P 3798 BRD bekannt ist, so kann die Rampenfunktion einfach auf den nicht invertierenden Eingang des Suinmationsverstärkers geschaltet und damit dem analogen Ausgangssignal dieses Digital-Analog-Wandles hinzu addiert werden.
Im folgenden ist anhand der Figuren 1 bis 5 die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 den zeitlichen Ablauf einer Analog-Digital-Wandliig gemäß der Erfindung. In Fig. 2 sind entsprechend dazu die Ergebnisse von acht Wandlungen während der Zeitdauer der Rampenfunktion dargestellt. Die Figuren 3 und 4 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines Analog-Digital-Wandlers für jeweils ein umzusetzendes Analogsignal. Fig. 5 zeigt einen Analog-Digital-Wandler für mehrere Analogsignale.
In Fig. 1 ist der zeitliche Ablauf einer stufenweisen Approximation wiedergegeben. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur eine 4-Bit Auflösung dargestellt, d. h. es wird von der Verwendung eines Digit al-Analog-Wandlers mit ebenfalls nur 4 digitalen Stellen ausgegangen. Im oberen Teil der Fig. 1 ist über der Zeit t die Ausgangsspannung U^ /. eines solchen Digital-Analog-Wandlers aufgetragen. Gleichzeitig ist ein umzusetzendes Analogsignal IT als parallele Gerade zur Zeitachse eingetragen. Im unteren Teil der Fig. 1 ist ebenfalls über der Zeit das Ausgangs signal eines !Comparators aufgetragen, das sich aus dem Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers und dem umzusetzenden Analogsignal ergibt. Dabei ist angenommen, daß das Ausgangssignal des Komparators den Wert 1 aufweist, solange das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers kleiner als das umzusetzende Analogsignal ist.
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Die stufenweise Approximation beginnt zum Zeitpunkt t^. Nacheinander werden die einzelnen Digitalstellen des Digital-Analog-Wandlers abgefragt. Zum Zeitpunkt t2 ist die Approximation beendet. Pur dieses spezielle Beispiel ergibt sich die Binärzahl 1010, die der Dezimalzahl 10 entspricht.
In Fig. 2 sind wiederum über der Zeit, jedoch in einem anderen Zeitmaßstab, die Ergebnisse von 8 Wandlungen dargestellt, die in gleichmäßigen Intervallen T erfolgen. Dabei ist dem umzusetzenden Analogsignal eine monoton ansteigende Rampenfunktion mit einer Periodendauer T und einem Maximalwert von einem LSB des Digital-Analog-Wandlers überlagert. Die Intervalle T entsprechen dabei der Zeitdauer tp-t,. einer vollständigen stufenweisen Approximation bzw. Wandlung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.
Wie der Fig. 2 ferner zu entnehmen ist, ergeben sich bei den acht dargestellten Wandlungen im Binärsystem dreimal die Werte 1010 und fünfmal die Werte 1011. Im Dezimalsystem ergeben sich entsprechend dreimal die Werte 10 und fünfmal die Werte 11. Der· arithmetische Mittelwert dieser acht Wandlungen ist im Dezimalsystem "10,-625 und im Binärsystem 1010, 101. Dabei wurde ebenfalls vorausgesetzt, daß die einzelnen Wandlungen mit einem Digital-Analog-Wandler mit vier digitalen Stellen durchgeführt wurden. Wie dem Ergebnis zu entnehmen ist, ergibt sich dadurch im Vergleich zur Wandlung "nach "Fig. 1 eine Steigerung der Auflösung um drei Binärstellen.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler mit einem Digitalwertbildner 1, der aus einem Taktgenerator 2, einr Steuerlogik 3und einem digitalen
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VPA 78 P 3798 BRD Speicher 4 besteht. Vor jeder stufenweise Approximation setzt die Steuerlogik den digitalen Speicher 4 auf Null.· Anschließend wird zunächst die höchstwertige Stelle des Speichers, also d auf Eins gesetzt. Die anderen Digitalstellen sind weiterhin Null. Dieses Digitalsignal wird auf einen Digital-Analog-Wandler 5 gegeben, dem neben einer Referenzspannung Up - eine Spannung Uq entsprechend der Rampenfunktion zugeführt wird. Das analogen Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 5 wird auf den einen Eingang eines !Comparators 6 gegeben, dessen anderer Eingang mit dem Analogsignal Ue beaufschlagt ist. Ist das Analogsignal U größer als die analöge Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 5» bleibt die höchstwertige Digitalstelle d des digitalen Speichers Eins; im anderen EaIl wird dn Null. Anschließend wird die nächste Digitalstelle gesetzt und wieder der Vergleich mit dem Analogsignal U durchgeführt. Das wird fortgesetzt, bis die Digitalstelle d.. des digitalen Speichers 4 erreicht ist. Die erste Wandlung ist damit abgeschlossen. Über die Steuerlogik wird der so ermittelte Digitalwert auf ein Addierglied 7 gegeben. Anschließend beginnt eine neue Wandlung.
Der digitale Speicher und der Digital-Analog-Wandler 5 sind beide für η-Bit ausgelegt. Soll nun eine Mittel- ^ wertbildung über 2m Wandlungen vorgenommen werden, so muß das Addierglied 7 für η + m Bit ausgelegt sein. Am Ende von 2m Wandlungen ergibt sich im Addierglied 7 ein Wert, der durch einfache Kommasetzung vor den letzten m Digitalstellen dem arithmetischen Mittelwert über ^ diese 2m Wandlungen entspricht. Dieser Wert wird über eine Anzeige 8 ausgegeben.
In diesem Beispiel ist die Zeitdauer der Rampenfunktion gleich dem 2m-fachen der einzelnen Wandlungen. Der Maximalwert der Rampenfunktion entspricht der Größe des niedrigstwertigen Bits des Digital-Analog-Wandlers 5.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 4 sind der Digitalwettbildner, das Addierglied und die Anzeige Teile eines Mikroprozessors 10. Darüber hinaus sind wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 ein Digitalis Analog-Wandler 5 und ein Komparator 6 vorhanden. Die dem Digital-Analog-Wandler 5 zugeführte Rampenfunktion besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Treppenkurve, deren einzelne Stufen vor jeder Wandlung mit Hilfe des Mikroprozessors 10 und des Digital-Analog-Wandlers 5 selbst erzeugt werden. Dazu wird vor jeder Wandlung gesteuert durch den Mikroprozessor der Schalter S1 geschlossen. Gleichzeitig wird dem Digital-Analog-Wandler ein digitales Eingangssignal zugeführt, dessen entsprechendes Analogsignal ein Maß für die jewei-15· lige Treppenstufe darstellt. Dieses Analogsignal wird für die nachfolgende Wandlung gespeichert. Im einfachsten Fall genügt dazu ein Kondensator C1; es kann jedoch auch ein sample and hold-Glied verwendet \erden. Die Kondensatorspannung ist in diesem Ausführungsbeispiel an einen Spannungsteiler mit den Widerständen R1 und R2 angeschlossen. Von diesem Spannungsteiler wird die eigentliche Rampenspannung U^31n abgegriffen.
Die Fig. 5 zeigt einen Analog-DigitaMiandler entsprechend der Fig. 4, diesmal jedoch für k-Analogsignale U ^ bis U j. Wenn man bei diesem Ausführungsbeispiel davon ausgeht, daß "der Digital-Analog-Wandler 5 sin 8-Bit Wandler ist, mansber eine Auflösung von etwa 12 Bit erreichen will, so ergibt sich der große Vorteil, daß man weiterhin mit einer 8 Bit-Busankopplung zwischen Mikroprozessor 10 und Digital-Analog-Wandler 5 auskommt. Diese 8 Bit-Busankopplung entspricht der üblichen Größe des Ausgangsports von Mikroprozessoren. Auch das im Mikroprozessor 10 ablaufende Approximationsprogramm braucht nur für 8 Bit ausgebt zu sein. Damit ergibt
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sich bei glefcher Endauflösung abgesehen von den teilweise einfacheren und damit kostengünstigereiSchaltungselementen auch noch der Vorteil einer schnelleren Analog-Digital-Wandlung. Bei einem für die höhere Auflösung ausgelegten Digital-Analog-Wandler müßten die einzelnen Digitalstellen über die 8 Bit Busanfcopplung des Ausgangspurts in zwei nacheinander folgenden Schritten angesteuert werden. Auch das Approximationsprogramm müßte für die höhere Anzahl von Digitalstellen ausgelegt sein.
5 Figuren
6 Ansprüche
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Claims (6)

  1. - VPA 78 P 3798 BRD Patentansprüche
    Analog-Digital-Wandlung mit stufenweiser Approximation eines Digitalsignals an ein umzusetzendes Analogsignal, wobei dem einen Eingang eines Kompar-ators das Analogsignal und dem anderen Eingang des Komparators das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Wandlers zugeführt wird, der eingangsseitig mit dem Digitalsignal beaufschlagt ist, dadurchgekennzeich net, daß zum Analogsignal oder zum Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers (5) eine Rampenfunktion addiert wird, deren Maximalwert annähernd der Größe des niedrigstwertigen Bits des Digital-Analog-Wandlers (5) und deren Zeitdauer annähernd einem Vielfachen der Zeitdauer der stufenweisen Approximation entspricht, und daß während der Zeitdauer der Rampenfunktion der arithmetische Mittelwert mehrerer nach jeweils einer stufenweisen Approximation vorliegender Digitalsignale gebildet wird.
  2. 2. Analog-Digital-Wandlung nach Anspruch 1, d a d u r c" h g e k e η η ζ e-i c h η e t , daß die Rampenfunktion eine Treppenkurve mit gleichgroßen Stufen darstellt und daß die Zeitdauer jeder Stufe gleich der Zeitdauer der stufenweisen Approximation ist.
  3. 3. Analog-Digital-Wandlung nach Anspruch 2, d a durch gekennzeichnet, daß der Digital-Analog-Wandler.(5) vor Beginn jeder Approximation kurzzeitig so angesteuert wird, daß sein auf ein Speicherglied (C.) (sample and hold) gegebenes Ausgangssignal gegebenenfalls nach einer Spannungsteilung dem jeweils benötigten Stufenwert der Treppenkurve entspricht.
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    - 2 - VPA 78 P 3798 BRD
  4. 4. Analog-Digital-Wandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer, über die der arithmetische Mittelwert gebildet wird, auf die Periodendauer einer dem Analogsignal überlagerten Störwechselspannung abgestimmt ist.
  5. 5. Analog-Digital-Wandler mit einem Digitalwertbildner, einem Komparator und einem Digital-Analog-Wandler zur Durchführung der Analog-Digital-Wandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeich net, daß der Digitalwertbildner (1) und der Digital-Analog-Wandler (5) für η-Bit ausgelegt sind, wobei der Wandler (5) eine Linearität vnn η + m-Bit besitzt, und daß ein Addierglied (7) für η + m-Bit vorgesehen ist, dem die Signale des Digitalwertbildners (1) nach Jeder von 2m stufenweisen Approximation zugeführt werden.
  6. 6. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalwertbildner (1) und das Addierglied (7) Teile eines Mikroprozessors (10) sind.
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DE2852095A 1978-11-30 1978-11-30 Analog-Digital-Wandlung mit stufenweiser Approximation eines Digitalsignals an ein umzusetzendes Analogsignal Expired DE2852095C2 (de)

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