DE3751639T2 - Analog-Digital-Wandler - Google Patents

Analog-Digital-Wandler

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DE3751639T2
DE3751639T2 DE3751639T DE3751639T DE3751639T2 DE 3751639 T2 DE3751639 T2 DE 3751639T2 DE 3751639 T DE3751639 T DE 3751639T DE 3751639 T DE3751639 T DE 3751639T DE 3751639 T2 DE3751639 T2 DE 3751639T2
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

    Hintergrund der Erfindung Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Analog-Digital- Wandler, und insbesondere einen Analog-Digital-Wandler vom stufenweisen Annäherungstyp, der eine Anzahl von lokalen Digital-Analog-Wandlern einer gegebenen Auflösung umfaßt, und der eine höhere Auflösung als die gegebene Auflösung des Digital-Analog-Wandlers schaffen kann.
  • Die GB-A-2 102 227 zeigt einen derartigen Analog-Digital- Wandler mit zwei lokalen Digital-Analog-Wandlern (DAC's) unterschiedlicher Größe, die durch ein stufenweises Annäherungsregister gesteuert werden.
  • Die EP-A-0 066 251 zeigt einen lokalen Digital-Analog-Wandler mit Mitteln zum Teilen des digitalen Eingangssignals in eine Anzahl von digitalen Signalen kleinerer Bitgröße als die des Eingangssignals, einer entsprechenden Anzahl Digital-Analog-Wandlern zum Umwandeln dieser Signale in analoge Ausgangssignale und Mitteln zum Summieren der analogen Ausgangssignale, um ein summiertes analoges Ausgangssignal zu erzeugen. Solch ein lokaler Digital-Analog-Wandler ist in Verbindung mit der Fig. 4 der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Bis jetzt wurde Digitaltechnik in breitem Umfang auf verschiedenen Gebieten verwendet. Hieraus resultiert, daß ein Analog-Digital-Wandler (im Nachfolgenden "A/D-Wandler" bezeichnet) und ein Digital-Analog-Wandler (im Nachfolgenden als "D/A-Wandler" bezeichnet) als Schnittstelle zwischen einem analogen Signal und einem digitalen Signal sehr wichtig werden.
  • Unter verschiedenen Arten von A/D-Wandlern ist ein A/D- Wandler vom stufenweisen Annäherungstyp als ein A/D-Wandler bekannt, der mit mittlerer oder hoher Geschwindigkeit arbeiten kann und ein Digitalsignal schaffen kann, das aus einer relativ großen Anzahl von Bits zusammengesetzt ist.
  • Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, die ein Blockschaltbild eines typischen Beispiels eines herkömmlichen A/D- Wandlers vom stufenweisen Annäherungstyp zeigt. Der dargestellte A/D-Wandler hat einen Analogsignal-Eingangsanschluß 10, der mit einem ersten Eingang einer Abtast- und Halteschaltung 12 verbunden ist, die mit ihrem zweiten Eingang mit dem Ausgang eines lokalen D/A-Wandlers 14 verbunden ist. Die Abtast-Halteschaltung 12 hat ein Paar Ausgänge entsprechend dem Paar Eingänge, wobei diese Ausgänge mit einem Paar Eingängen eines Komparators 16 verbunden sind, dessen Ausgang an ein stufenweises Annäherungsregister 18 angeschlossen ist. Dieses Register 18 hat parallele Ausgänge, die mit dem lokalen D/A-Wandler 14 verbunden sind. Weiterhin ist ein Serienausgang des Registers 18 mit einem Digitalsignal -Ausgangsanschluß 20 verbunden.
  • Bei dieser Anordnung ist der lokale D/A-Wandler so eingestellt, daß er eine Spannung VFS/² entsprechend der Hälfte einer Spannung VFS mit vollem Skalenausschlag erzeugt, wenn er den Parallelausgang des Registers 18 empfängt, der aus dem höchstwertigen Bit (MSB) von "1" und den anderen Bits von "0" zusammengesetzt ist. Unter dieser Bedingung wird die Spannung des analogen Signals, welches von der Abtast- Halteschaltung 12 gehalten wird, mit der Ausgangsspannung VFS/² des lokalen D/A-Wandlers durch den Komparator 16 verglichen. Das Vergleichsergebnis wird an das stufenweise Annäherungsregister 18 angelegt, das seinen Inhalt ändert, d.h. ein digitales Datum, das dem lokalen D/A-Wandler 14 zugeführ wird. Wenn beispielsweise das analoge Eingangssignal größer als VFS/2 ist, wird das höchstwertige Bit des Registers 18 auf "1" gehalten so wie es ist, und das zweitwertigste Bit (2SB) wird von "0" in "1" geändert. Die anderen Bits werden auf "0" gehalten. Demgemäß wird die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers 14 auf 3VFS/&sup4; gebracht. Wenn andererseits das analoge Eingangssignal kleiner als VFS/2 ist, werden das höchstwertige Bit und das zweitwertigste Bit des Registers 18 in "0" bzw. "1" geändert und die anderen Bits werden auf "0" gehalten. In diesem Fall erzeugt der D/A-Wandler 14 VFS/4. Somit ist der Wert des höchstwertigen Bits bestimmt und dann wird der nächste Vergleich zwischen dem analogen Eingangssignal und der Referenzspannung VFS/4 oder 3VFS/4 des lokalen D/A-Wandlers 14 durchgeführt, so daß das zweitwertigste Bit bestimmt wird. Somit wird eine ähnliche Operation wiederholt, um stufenweise jedes Bit der digitalen Daten zu bestimmen, bis das niedrigstwertige Bit (LSB) bestimmt ist.
  • Bei dem vorstehend erwähnten stufenweisen Annäherungs-A/D- Wandler ist der lokale D/A-Wandler im allgemeinen in zwei Typen unterteilt, wobei der eine eine Widerstandsreihe oder einen Spannungsteiler aus hintereinander geschalteten Widerständen und der andere ein Kondensatorfeld hat.
  • Derzeit können D/A-Wandler, die eine Auflösung von 8Bits bis 10 Bits haben, und die als lokale D/A-Wandler 14 in dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen A/D-Wandler vom stufenweisen Annäherungstyp verwendet werden können, in Massenfertigung mit hoher Zuverlässigkeit und Stabilität dank der fortgeschrittenen integrierten Schaltungstechnik hergestellt werden. Daher können A/D-Wandler mit einer relativ kleinen Bitzahl zuverlässig hergestellt werden. Komponenten, die auf einem integrierten Schaltkreis hergestellt sind, haben jedoch eine gewisse Grenze bezüglich der Gleichförmigkeit der Eigenschaften und daher ist es der gegenwartige Zustand, daß es schwierig ist, einen D/A-Wandler mit hoher Auflösung zu erzielen. Um beispielsweise einen D/A-Wandler mit einer Auflösung von 12 bis 16 Bits zu erzielen, ist es notwendig, eine Schaltung mit Einzelbauteilen wie beispielsweise Widerständen und Kondensatoren zu bilden, deren Genauigkeit zu der erforderlichen Auflösung paßt. Ansonsten wäre es notwendig, eine feine Einstelleinrichtung, wie beispielsweise einen Laserabgleich zu verwenden. In diesem Fall werden jedoch die Kosten zur Bildung der erforderlichen Elemente sehr hoch und es können auch keine Elemente erzielt werden, die eine ausreichende Zuverlässigkeit haben.
  • Wie vorstehend erwähnt, kann für den Fall, daß ein D/A- Wandler mit großer Bitzahl in Kombination mit einer einzigen Widerstandsreihe oder einem einzigen Widerstandsspannungsteiler mit Widerstandsreihenschaltung oder einem einzigen Kondensatorfeld gebildet ist, keine ausreichende Genauigkeit erhalten werden, weil der D/A- Wandler ein stetiges Ansteigen über den vollen Bereich nicht aufrechterhalten kann, und zwar wegen der Streuung der Element-Charakteristika. Um dieses Problem zu überwinden, wurde die Verwendung einer Anzahl von D/A-Wandlern parallel zueinander vorgeschlagen. Wenn beispielsweise D/A- Wandler parallel kombiniert sind, kann der kombinierte D/A- Wandler einen vollen Skalenbereich entsprechend der Summe der entsprechenden vollen Skalenbereiche der zwei einzelnen D/A-Wandler haben. Wenn davon ausgegangen wird, daß die ersten und zweiten Einzel-D/A-Wandler die vollen Skalenbereiche FS1 bzw. FS2 haben, hat der kombinierte D/A-Wandler einen vollen Skalenbereich FS gleich (FS1 + FS2).
  • In dem kombinierten D/A-Wandler wird der erste Einzel-D/A- Wandler seinen Ausgang in Abhängigkeit von der Erhöhung eines digitalen Eingangs erhöhen. Wenn sich das höchstwertige Bit des digitalen Eingangs von "0" auf "1" ändert, wird der logische Wert "1" allen Eingangsbits des ersten Einzel-D/A- Wandlers zugeführt, so daß dieser seinen vollen Skalenbereich FS1 ausgibt. Danach wird der zweite Einzel-D/A-Wandler in Abhängigkeit von der Erhöhung des digitalen Eingangs erhöhen, so daß der Ausgang des zweiten D/A-Wandlers dem Ausgang des ersten D/A-Wandlers addiert wird, um einen kombinierten Ausgang zu schaffen.
  • Weiterhin wurde ein Interpolationstyp vorgeschlagen, der einen Haupt-D/A-Wandler und einen Hilfs-D/A-Wandler verwendet. In diesem Fall ist eine Stufe des Haupt-D/A-Wandlers durch den Hilfs-D/A-Wandler fein weiter unterteilt.
  • Das zuerst erwähnte Akkumulationsverfahren, das eine Anzahl von Einzel-D/A-Wandlern parallel zueinander verwendet, ist jedoch insofern von Nachteil, als der Verstärkungsfehler jedes Einzel-D/A-Wandlers addiert wird, mit dem Ergebnis, daß der Gesamt-D/A-Wandler in der Gesamtlinearität einen großen Fehler hat. Andererseits hat der Interpolationstyp den Defekt, daß er keinen stetigen Anstieg hat, wenn der Hilfs-D/A-Wandler einen erhöhten Stufenfehler hat.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen A/D-Wandler zu schaffen, der die vorstehend beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Wandler überwindet.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen A/D-Wandler vom stufenweisen Annäherungstyp zu schaffen, der eine Anzahl von D/A-Wandlern verwendet, aber insgesamt keinen großen Verstärkungsfehler hat.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen A/D-Wandler vom stufenweisen Annäherungstyp zu schaffen, der eine Anzahl von D/A-Wandlern hat, und der einen verbesserten Linearitätsfehler hat.
  • Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist durch die Unteransprüche beschrieben.
  • Die vorstehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der begleitenden Figuren hervor.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Es zeigt:
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Beispiels des herkömmlichen A/D-Wandlers vom stufenweisen Annäherungstyp.
  • Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Grundkonstruktion des A/D- Wandlers vom stufenweisen Annäherungstyp in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild des A/D-Wandlers gemäß Fig. 2;
  • Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Grundkonzeption des in der Fig. 2 gezeigten A/D-Wandlers;
  • Fig. 5 ein Diagramm ähnlich wie Fig. 3, das jedoch eine erste Ausführungsform des A/D-Wandlers vom stufenweisen Annäherungstyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm eines Schaltsteuersignalgenerators, der in dem A/D-Wandler gemäß Fig. 5 eingebaut ist;
  • Fig. 7 ein Diagramm ähnlich wie Fig. 3, das jedoch eine zweite Ausführungsform des A/D-Wandlers vom stufenweisen Annäherungstyp zeigt; und
  • Fig. 8 ein Diagramm ähnlich Fig. 6, das jedoch einen Schaltsteuersignalgenerator zeigt, der in dem A/D-Wandler gemäß Fig. 7 eingebaut ist.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Bezugnehmend auf Fig. 2 zeigt diese das Aufbaukonzept eines Analog-Digital-Wandlers vom stufenweisen Annäherungstyp (successive Approximation) gemäß der vorliegenden Erfindung. Der gezeigte Analog-Digital-Wandler umfaßt einen Analogsignal-Eingangsanschluß 30, der an eine Analogsignal- Eingangsschaltung 32 angeschlossen ist. Diese Eingangsschaltung 32 ist mit einem Ausgang gemeinsam an eine Anzahl von lokalen Digital-Analog-Wandlern 34A bis 34K vom Ladungsrückverteilungstyp angeschlossen, die ein Kondensatorfeld haben, welche zur Ladungsrückverteilung und als Abtast- und Halte-Kondensator für das erste bis zu dem Bit 2m funktionieren. Dieser lokale Digital-Analog-Wandler hat eine Auflösung von "l" Bits. Die Ausgangssignale aller Digital-Analog-Wandler 34A bis 34K sind gemeinsam an einen Eingang des Komparators 36 angeschlossen.
  • Dieser Komparator 36 ist mit einem anderen Eingang an einen Kondensator 38 angeschlossen, der seinerseits an ein Referenzpotentialanschluß 40 angeschlossen ist. Der Komparator 36 ist mit seinem Ausgang an ein Register 42 vom stufenweisen Annäherungstyp angeschlossen. Dieses Register 42 ist mit parallelen Ausgängen an einen Generator 44 angeschlossen, der alle lokalen Digital-Analog-Wandler 34A bis 34K mit Schaltsteuersignalen versorgt, um zu bewirken, daß die entsprechenden Digital-Analog-Wandler ihren internen Zustand ändern. Weiterhin ist das Register 42 so angepaßt, daß es ein digitales Signal mit n-Bits ausgibt. Bei diesem Aufbau gilt die Beziehung n = l + m und K = 2m.
  • Bei dieser Anordnung wird ein Analogsignal von dem Eingangsanschluß 30 über die Eingangsschaltung 32 an alle der ersten bis k-ten lokalen Digital-Analog-Wandler 34A bis 34K angelegt. Im einzelnen wird das Analogsignal in dem Kondensatorfeld jedes Digital-Analog-Wandlers, gesteuert durch den Steuersignalgenerator 44, abgetastet. Dann wird die Analogsignal-Eingangsschaltung 32 abgeschaltet, so daß das Analogsignal in dem entsprechenden Kondensatorfeld gehalten wird. Danach wird vom Komparator 36 ein Vergleich zwischen den Ausgangssignalen aller Digital-Analog-Wandler und dem Referenzpotential durchgeführt, und der Inhalt des Registers 42 wird auf der Basis des Vergleichsergebnisses modifiziert. In Abhängigkeit vom Inhalt des Registers 42 erzeugt der Generator 44 solche Steuersignale für die Digital-Analog-Wandler 34A bis 34K, daß der Zustand der Kondensatorfelder sukzessive für einen Vergleich nach dem anderen modifiziert wird. Somit wird schließlich ein Digitalsignal mit n-Bits am Register 42 ausgegeben.
  • Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, hat das Register 42 parallele Bitausgänge, die den Generator 44 mit n-Bit-Daten D&sub1;, D&sub2;, D&sub3;...Dn-1 und Dn versorgen. Andererseits hat der erste Digital-Analog-Wandler 34A ein Kondensatorfeld, das aus (l+1) Kondensatoren C&sub1;&sub0; bis C1l zusammengesetzt ist, die als ein Ladungsrückverteilungs- und Abtast- und Haltekondensator funktionieren. Die einen Elektroden dieser Kondensatoren C&sub1;&sub0; bis C1l sind miteinander verbunden. Die andere Elektrode jedes Kondensators C&sub1;&sub0; bis C1l ist jeweils an einen gemeinsamen Anschluß eines Einzelpol-Dreifach- Wechselschalters S&sub1;&sub0; bis S1l angeschlossen. Jeder der Schalter S&sub1;&sub0; bis S&sub1;. ist mit einem ersten Wählanschluß an den Analogsignal-Eingangsanschluß 30, mit einem zweiten Wählanschluß an einen ersten Referenzpotential-Anschluß 46 und mit einem dritten Wählanschluß an einen zweiten Referenzpotential-Anschluß 48 angeschlossen. Ähnlich hat der zweite Digital-Analog-Wandler 34B ein Kondensatorfeld von (l + 1) Kondensatoren C&sub2;&sub0; bis C2l, und mit diesen verbundene zugehörige Schalter S&sub2;&sub0; bis C2l. Weiterhin habe die anderen Digital-Analog-Wandler jeweils (l + 1) Kondensatoren und (l + 1) zugehörige Schalter. Die gemeinsam geschalteten Elektroden der Kondensatoren jedes der Digital-Analog-Wandler 34A bis 34K sind ebenfalls gemeinsam an einen Eingang des Komparators 36 angeschlossen.
  • Der andere Eingang des Komparators 36 ist über einen Kondensator 50 mit einem dritten Referenzpotential-Anschluß 40 verbunden. Der Kondensator 50 ist durch einen Schalter 52 überbrückt, und der dritte Referenzpotential-Anschluß 40 ist über einen anderen Schalter 54 an den einen Eingang des Komparators 36 angeschlossen.
  • Die vorstehend genannten Kondensatoren haben die folgende Beziehung:
  • Der Kondensator 50 hat eine Kapazität CC gleich der Gesamtkapazität aller Kondensatoren C&sub1;&sub0; bis C1l, C&sub2;&sub0; bis C2l,. Cko bis Ckl, die in allen Digital-Analog-Wandlern 34A bis 34K enthalten sind. Wenn weiterhin angenommen wird, daß eine gemeinsame Kapazität C ist, werden die Kondensatoren C&sub1;&sub0; bis C1l, C&sub2;&sub0; bis C2l ... Cko Ckl jedes der ersten bis K-ten Digital-Analog-Wandlers 34A bis 34K bewertet, so daß sie Kapazitäten von jeweils C, C, 2C..., und 2(l - 1)C haben. Daher gilt Cc = (K x 2l)C.
  • Bevor der Betrieb der Ausführungsform erläutert wird, wird anhand der Fig. 4 der Betrieb eines kombinierten Digital- Analog-Wandlers beschrieben, der n-Bit-Daten empfängt und der zwei (n-1)-Bit-Digital-Analog-Wandler umfaßt.
  • Das n-Bit-Datum DATA-A ist in einen Teil mit nur dem niedrigstwertigen Bit (dem n-ten Bit) und einen Teil vom (n-1)-ten Bit bis zum höchstwertigen Bit unterteilt. Der zuletzt genannte Teil wird als (n-1)-Bitdatum DATA-B an einen Digital-Analog-Wandler DAC-2 angelegt und auch in ein digitales Addierwerk ADD-1 eingegeben. Dieses Addierwerk addiert das niedrigstwertige Bit des DATA-A mit dem niedrigstwertigen Bit des DATA-B (das heißt, das (n-1)-te Bit des DATA-A) und leitet das Ergebnis der Addition als ein anderes (n-1) -Bit-Datum DATA-C einem anderen Digital-Anlog- Wandler DAC-1 zu. Die Ausgangssignale der zwei Digital-Analog-Wandler DAC-1 und DAC-2 werden einem Analog-Addierwerk ADD-2 eingegeben, welches ein analoges Signal entsprechend dem eingegebenen digitalen Signal DATA-A erzeugt.
  • Wenn nun angenommen wird, daß n=6 ist, haben die Digitaldaten DATA-A, DATA-B und DATA-C die Beziehung, wie sie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt ist. Tabelle 1
  • Wie aus der vorstehenden Tabelle 1 zu ersehen ist, werden die (n-1)-Bit-digitalen Eingangssignale an den Digital-Analog-Wandlern DAC-1 und DAC-2 abwechselnd und aufeinanderfolgend in Abhängigkeit von dem niedrigstwertigen Bit des eingegebenen digitalen Datums erhöht.
  • Wenn nun davon ausgegangen wird, daß der Digital-Analog- Wandler DAC-1 einen Verstärkungsfaktor von K hat und der Digital-Analog-Wandler DAC-2 einen Verstärkungsfaktor von K=ΔK hat (wobei ΔK ein Verstärkungsfaktorfehler zwischen dem DAC-1 und DAC-2 ist). Weiterhin wird angenommen, daß n-1=l . Unter dieser Bedingung erscheint der Verstärkungsfaktorfehler bei jeder Erhöhung des logischen Eingangs, unterschiedlich zur herkömmlichen Akkumulationsart, bei der eine Vielzahl von Digital-Analog-Wandlern parallel zueinander verwendet wird. Der Fehlerbetrag wird jedoch auf 1/2l komprimiert. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Betrag sukzessive und abwechselnd entsprechend dem niedrigstwertigen Bit jedes Digital-Analog-Wandlers erhöht wird, und daher gleich dem Betrag eines Schrittes ist, der durch Teilen des vollen Bereiches des Ausgangssignals des Digital-Analog-Wandlers durch 2l erhalten werden kann. Daher wird der Verstärkungsfaktorfehler ebenfalls im gleichen Verhältnis komprimiert.
  • Im Detail Stellung genommen, können die Ausgangssignale V&sub1; und V&sub2; des DAC-1 und DAC-2 wie folgt ausgedrückt werden:
  • wobei VREF ein Referenzpotential ist, das an die Digital- Analog-Wandler DAC-1 und DAC-2 angelegt wird.
  • Daher ist bei dem herkömmlichen Akkumulationsverfahren die Ausgangsspannung VFS gemäß vollem Skalenausschlag: VFS = (2k - Δ K)VREF
  • Somit wird die Ausgangsspannung mit idealem halbem Skalenausschlag des kombinierten Digital-Analog-Wandlers durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
  • Andererseits erscheint eine tatsächliche Ausgangsspannung VHS mit halbem Skalenausschlag am kombinierten Digital-Analog-Wandler, wenn nur einer der beiden Digital-Analog-Wandler, beispielsweise der DAC-1 in den Zustand mit vollem Skalenausschlag gebracht ist. Die tatsächliche Ausgangsspannung VHF mit halbem Skalenausgang wird wie folgt ausgedrückt:
  • VHF = K VREF
  • Demgemäß wird der Linearitätsfehler VLE(HS) bei halbem Skalenausschlag ausgedrückt durch:
  • VLE(HS) = VHS
  • Das Verhältnis L.E. von VLE(HS) zum vollen Skalenausschlag ist wie folgt:
  • L.E. = VLE(HS) / VFS
  • = 1/2 Δ K / (2K - Δ K)
  • 1/4 ΔK/K
  • Andererseits wird die Spannung VFS mit vollem Skalenausschlag bei dem kombinierten Digital-Analog-Wandler, wie er in der Fig. 4 gezeigt ist, wie folgt ausgedrückt:
  • VFS = (2K-ΔL)VREF
  • Dies ist nämlich ähnlich wie bei dem herkömmlichen Akkumulationsverfahren. Weiterhin wird die Größe der Veränderung VSTEP verursacht durch die niedrigstwertigen Bits des DAC-1 und des DAC-2 ausgedrückt durch:
  • VSTEP(1) = K VREF / 2l
  • VSTEP(2) = (K - Δ K) VREF / 2l
  • Der Linearitätsfehler infolge des Verstärkungsfehlers wird daher alle zwei Schritte über dem gesamten Dynamikbereich erscheinen. Aber die Größe des Fehlers ist komprimiert d.h. verringert.
  • Als ideal kann das Neutralpunkt-Potential der zwei Schritte ausgedrückt werden durch:
  • VSTEP / 2 = (k - Δ K/2) VREF / 2l
  • Aber das tatsächliche Neutralpunkt-Potential ist wie folgt:
  • VSTEP / 2 = (K - Δ K) VREF / 2l
  • Demgemäß kann der Linearitätsfehler VLE wie folgt ausgedrückt werden:
  • VLE = VSTEP/2 - VSTEPA/2
  • = ΔK/2 VREF / 2l
  • Das Verhältnis L.E. kann wie folgt ausgedrückt werden:
  • L.E. = VLE/VFS = 2/2K - ΔK ΔK/2 1/2l
  • = 1/4 1/2l ΔK/K
  • Wie aus dem Vorstehenden zu ersehen ist, ist das Verhältnis L.E. des kombinierten Digital-Analog-Wandlers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem herkömmlichen Akkumulationsverfahren auf 1/2 komprimiert.
  • Es wird nun auf die Fig. 5 Bezug genommen, die eine Ausführungsform des Analog-/Digital-Wandlers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Fig. 5 sind Elemente ähnlich denen, wie sie in der Fig. 3 gezeigt sind, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und ihre Erläuterung wurde weggelassen. Zur Vereinfachung der Figur und der Erläuterung ist der gezeigte Analog-Digital-Wandler so ausgebildet, daß er ein digitales 6-Bit-Signal ausgibt, d.h. n = 6. Weiterhin ist der gezeigte Wandler auf der Bedingung 1 = 4, m = 2 und K = 22 = 4 aufgebaut. Bei der in der Fig. 5 gezeigten ersten Ausführungsform wird weiterhin eine Spannung VR an den ersten Referenzpotential-Anschluß 46 angelegt, und der zweite Referenzpotential-Anschluß 48 ist an Masse gelegt. Zusätzlich ist eine Spannung VR/2 an den dritten Referenzpotential-Anschluß 40 angelegt. Unter diesen Bedingungen sind vier lokale Digital-Analog-Wandler 34A, 34B, 34C und 34D vorgesehen, und die Kapazitäten der Kondensatoren, die in einem Kondensatorfeld jedes Digital- Analog-Wandlers enthalten sind, sind so bestimmt, daß sie die folgende Beziehung erfüllen:
  • C&sub1;&sub0; = C1l = C&sub2;&sub0; = C&sub2;&sub1; = C&sub3;&sub0; = C&sub3;&sub1; = C&sub4;&sub0; = C&sub4;&sub1; = 1C,
  • C&sub1;&sub2; = C&sub2;&sub2; = C&sub3;&sub2; = C&sub4;&sub2; = 2C,
  • C&sub1;&sub3; = C&sub2;&sub3; = C&sub3;&sub3; = C&sub4;&sub3; = 4C,
  • C&sub1;&sub4; = C&sub2;&sub4; = C&sub3;&sub4; = C&sub4;&sub4; = 8C.
  • Daher hat der Kondensator 50 eine Kapazität Cc von 64C.
  • Als nächstes wird ein Analog-Digital-Umwandlungsvorgang erläutert. Als erstes werden alle Schalter S&sub1;&sub0;... S&sub1;&sub4;, S&sub2;&sub0;... S&sub2;&sub4;, S&sub3;&sub0;...S&sub3;&sub4; und S&sub4;&sub0;...S&sub4;&sub4; gesteuert, um das analoge Eingangssignal 30 anzuschließen, und die Schalter 52 und 54 werden geschlossen. In diesem Zustand wird ein Analogsignal Vin, das an den Eingang 30 angelegt ist, in allen Kondensatorfeldern der Digital-Analog-Wandler 34A bis 34G im Vergleich mit dem dritten Referenzpotential VR/2 abgefragt.
  • Als nächstes werden die Schalter 52 und 54 abgeschaltet und gleichzeitig werden die Bitdaten D&sub1; bis D&sub6; des Registers 42 vom stufenweisen Annäherungstyp in einen solchen Zustand geändert, daß D&sub1; = "1" und D&sub2;...D&sub6; = "0" ist. Als ein Ergebnis sind alle Schalter S&sub1;&sub0;...S&sub1;&sub4;, S&sub2;&sub0;...S&sub2;&sub4;, S&sub3;&sub0;...S&sub3;&sub4;, S&sub4;&sub0;...S&sub4;&sub4; von dem analogen Signaleingang 30 getrennt. Da das Bitdatum D&sub1; auf "1" gebracht worden ist, sind zusätzlich alle Schalter S&sub1;&sub4;, S&sub2;&sub4;, S&sub3;&sub4; und S&sub4;&sub4;, die mit den Kondensatoren C&sub1;&sub4;, C&sub2;&sub4;, C&sub3;&sub4; und C&sub4;&sub4; mit der Kapazität 8C verbunden sind, mit dem ersten Referenzpotentialanschluß 46 mit dem Potential VR verbunden. Da die anderen Bitdaten D&sub2; bis D&sub6; auf "0" verbleiben, sind die anderen Schalter S&sub1;&sub0;...S&sub1;&sub3;, S&sub2;&sub0;...S&sub2;&sub3;, S&sub3;&sub0;...S&sub3;&sub3; und S&sub4;&sub0;...S&sub4;&sub3; an den zweiten Referenzpotentialanschluß 48 auf dem Massepegel, verbunden. In diesem Zustand wird ein Vergleich durch den Komparator 36 durchgeführt. In dem stufenweisen Annäherungssystem wurde nämlich ein Vergleichsschritt für das höchstwertige Bit (MSB) durchgeführt.
  • Wenn nun angenommen wird, daß die jeweiligen Potentiale des umgekehrten Eingangssignals und des nicht umgekehrten Eingangssignals des Komparators 36 VI bzw. VN sind, kann die folgende Gleichung gebildet werden:
  • VN = VR/2
  • (VR/2 - VIN) 64C = (VI - VR) 32C + (VI - 0)32C
  • VI = VR - VIN
  • Für den Fall, daß VIN > VR/2 ist, wird der Komparator 36 das Logiksignal "1" ausgeben. Wenn im Gegensatz hierzu VIN < VR/2 ist, wird der Komparator 36 das Logiksignal "0" ausgeben. Das Logik-Ausgangssignal des Komparators 36 wird an das Register 42 vom stufenweisen Annäherungstyp angelegt, und als ein Ergebnis tritt der Ablauf in den Vergleichsschritt für das zweitwertige Bit (2SB). Insbesondere mit VIN > VR/2 werden die Bitdaten D&sub1; und D&sub2; auf "1" gebracht, und die anderen Bitdaten D&sub3; bis D&sub6; werden auf "0" gebracht, mit dem Ergebnis, daß die Schalter S&sub1;&sub3;, S&sub1;&sub4;, S&sub2;&sub4;, S&sub3;&sub4; und S&sub4;&sub4; an das erste Referenzpotential VR angeschlossen werden und die anderen Schalter S&sub1;&sub0; ...S&sub1;&sub2;, S&sub2;&sub0;...S&sub2;&sub3;, S&sub3;&sub0;...S&sub3;&sub3; und S&sub4;&sub0; ...S&sub4;&sub3; werden an das zweite Referenzpotential auf Massepegel angelegt. In diesem Zustand wird die folgende Beziehung errichtet:
  • VN = VR/2
  • (VR/2 - VIN) 64C = (VI - VR) (32C + 16C) + (VI - 0)16C
  • VI = 5/4VR - VIN
  • Wenn VIN > 3VR/4 ist, gibt der Komparator 36 als Ergebnis ein Signal von "1" aus. Wenn andererseits VIN < 3VR/4 ist, erzeugt der Komparator 36 ein Signal von "0". Das Ausgangssignal des Komparators 36 wird an das Register 42 vom stufenweisen Annäherungstyp angelegt.
  • Der vorstehende Ablauf wird solange wiederholt, bis der Vergleich für das niedrigstwertige Bit (LSB) durchgeführt wird. Das Vergleichsergebnis für das LSB wird dann in das Register 42 vom stufenweisen Annäherungstyp eingegeben und so wird der Inhalt des Registers über den Ausgangsanschluß als Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung ausgegeben.
  • Die folgende Tabelle 2 und Tabelle 3 geben die Zuordnung zwischen den Bitdaten D&sub1;..., D&sub6; und der Position der Schalter aller Digital-Analog-Wandler an, die im Verlauf der stufenweisen Annäherungsoperation eingenommen werden können. In diesen Tabellen gibt "1" in den Spalten der Schalterposition an, daß der Schalter mit dem ersten Referenzpotential verbunden ist, und "0" erscheint in den Spalten der Schalterposition, wenn der Schalter an das zweite Referenzpotential angeschlossen ist. Tabelle 2 D/A Wandler Tabelle 3 D/A Wandler
  • Es wird nun auf die Fig. 6 Bezug genommen&sub1; die eine Schaltung des Steuersignalgenerators 44 zeigt, der die Schalter S&sub1;&sub0;...S&sub1;&sub4;, S&sub2;&sub0;...S&sub2;&sub4;, S&sub3;&sub0;...S&sub3;&sub4; und S&sub4;&sub0;...S&sub4;&sub4; in Übereinstimmung mit der Tabelle 2 und der Tabelle 3 steuert. Der Generator 44 hat einen Sechsbit-Paralleleingang zum Empfangen der Bitdaten D&sub1;...D&sub6; des Registers 42 vom stufenweisen Annäherungstyp. Der Generator 44 hat eine Anzahl von UND- Gates, ODER-Gates und NOR-Gates, die wie dargestellt so geschaltet sind, daß sie einen Dekoder bilden, welcher Logiksignale S&sub1;&sub0;...S&sub4;&sub4; zur Steuerung der Schalter in Übereinstimmung mit der Tabelle 2 und der Tabelle 3 erzeugt. Wenn die Logiksignale S&sub1;&sub0;...S&sub4;&sub4; "1" sind, ist der Schalter an das erste Referenzpotential angeschlossen. Andererseits ist mit dem Logiksignal "0" der Schalter an das zweite Referenzpotential angeschlossen.
  • Es wird auf die Fig. 7 Bezug genommen, die eine andere Ausführungsform des Sechsbit-Analog-Digital-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In dieser Figur sind Elemente ähnlich jenen in der Fig. 5 gezeigten mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und ihre Erläuterung wird weggelassen.
  • Bei dieser Ausführungsform hat jeder der lokalen Digital- Analog-Wandler 34A bis 34D sechs Ladungsrückverteilungs- und Abtasthaltekondensatoren C&sub1;&sub0;...C&sub1;&sub5;, C&sub2;&sub0;...C&sub2;&sub5;, C&sub3;&sub0; und C&sub4;&sub0;...C&sub4;&sub5; und sechs zugehörige Schalter S&sub1;&sub0;...S&sub1;&sub5;, S&sub2;&sub0;...S&sub2;&sub5;, S&sub3;&sub0;...S&sub3;&sub5; und S&sub4;&sub0;...S&sub4;&sub5;. Die Kondensatoren der entsprechenden Kondensatorfelder haben Kapazitäten, die die folgende Beziehung erfüllen.
  • C&sub1;&sub0; = C&sub1;&sub1; = C&sub2;&sub0; = C&sub2;&sub1; = C&sub3;&sub0; = C&sub3;&sub1; = C&sub4;&sub0; = C&sub4;&sub1; = 1C
  • C&sub1;&sub2; = C&sub2;&sub2; = C&sub3;&sub2; = C&sub4;&sub2; = 2C
  • C&sub1;&sub3; = C&sub1;&sub4; = C&sub1;&sub5; = C&sub2;&sub3; = C&sub2;&sub4; = C&sub2;&sub5; = C&sub3;&sub3; = C&sub3;&sub4; = C&sub3;&sub5; = C&sub4;&sub3; = C&sub4;&sub4; = C&sub4;&sub5; = 4C
  • Daher hat der Kondensator 50 eine Kapazität von 640 ähnlich wie bei der in der Fig. 5 gezeigten Ausführungsform.
  • Bei der in der Fig. 7 gezeigten zweiten Ausführungsform haben die Kondensatoren, die in den lokalen Digital-Analog- Wandlern enthalten sind, eine Kapazität von mindestens 1C und maximal 4C. Daher können für den Fall, daß der Analog- Digital-Wandler auf einer integrierten Schaltung hergestellt ist, die Kondensatoren mit hoher relativer Präzision ihrer Kapazität hergestellt werden, und daher kann eine hohe Analog-Digital-Umformgenauigkeit erzielt werden.
  • Die folgende Tabelle 4 und Tabelle 5 geben die Zuordnung zwischen den Bit-Daten D&sub1; ...D&sub6; des Registers 42 und der Position der Schalter S&sub1;&sub0;...S&sub4;&sub5; für den Fall der zweiten Ausführungsform, wie in der Fig. 7 gezeigt ist, an. In den Spalten der Schalterposition haben "1" und "2" die gleiche Bedeutung wie in den Tabellen 2 und 3. Tabelle 4 D/A Wandler Tabelle 5 D/A Wandler
  • Die Fig. 8 zeigt eine Schaltung des Steuersignalgenerators 44 zum Steuern der Schalter S&sub1;&sub0;...S&sub1;&sub5;, S&sub2;&sub0;...S&sub2;&sub5;, S&sub3;&sub0;...S&sub3;&sub5; und S&sub4;&sub0;...S&sub4;&sub5; des in der Fig. 7 gezeigten Analog-Digital- Wandlers in Übereinstimmung mit der Tabelle 4 und der Tabelle 5. Der gezeigte Generator hat nämlich eine Anzahl von UND-Gates, ODER-Gates und NOR-Gates, die wie dargestellt so geschaltet sind, daß sie einen Dekoder bilden, der auch die Bitdaten D&sub1;...D&sub6; des Registers 42 anspricht, um Steuersignale für alle Schalter S&sub1;&sub0;...S&sub4;&sub5; in Übereinstimmung mit der Tabelle 4 und der Tabelle 5 zu erzeugen.
  • Wie aus der vorstehenden Beschreibung der Ausführungsformen anhand der Figuren hervorgeht, kann ein n-Bit-Analog-Digital-Wandler vom stufenweisen Annäherungstyp unter Verwendung von 2m lokalen 1-Bit-Digital-Analog-Wandlern (wobei 1 < n und n = 1 + m) parallel zueinander aufgebaut sein, um einen kombinierten Digital-Analog-Wandler zu bilden, und durch aufeinanderfolgendes und abwechselndes Erhöhen der 2m-Digital-Analog-Wandler wird der kombinierte Analogausgang erhöht. Mit dieser Anordnung ist der Verstärkungsfehler jedes Digital-Analog-Wandlers gleichmäßig über den Bereich von Null bis zum vollen Skalenausschlag verteilt. Daher wird insgesamt kein großer Verstärkungsfehler erscheinen. Zusätzlich kann der Linearitätsfehler stark verbessert werden.
  • Da weiterhin eine Anzahl von Digital-Analog-Wandlern mit der Bitzahl kleiner als einer gewünschten Bitzahl verwendet werden, ist es bei Herstellung des Analog-Digital-Wandlers als integrierter Schaltung möglich, einen entgegengesetzten Effekt der Streuung der Charakteristika der auf der integrierten Schaltung gebildeten Komponenten zu unterdrücken.
  • Die Erfindung wurde vorstehend anhand der spezifischen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben. Es ist jedoch anzumerken, daß die Erfindung keineswegs auf die Details des dargestellten Aufbaus begrenzt ist, sondern es sind Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfanges der Patentansprüche denkbar.

Claims (3)

1. Analog-Digital-Wandler für n-Bits vom stufenweisen Annäherungstyp mit 2m Digital-Analog-Umformschaltungen (34A-K) jeweils für ein Bit (wobei 2 &le; l < n, n > 1 und n = m + 1), einer Steuerschaltung (44), die an die Digital-Analog-Umformschaltungen angeschlossen ist, um den Zustand der jeweiligen Digital-Analog-Umformschaltung (34A-K) zu steuern, einem Komparator (36) mit einem ersten Eingang, der gemeinsam an die Ausgänge der Digital-Analog-Umformschaltung angeschlossen ist, und einem zweiten Eingang, der so geschaltet ist, daß er eine Referenzspannung erhält, und einem stufenweisen Annäherungsregister (42), das an einen Ausgang des Komparators (36) angeschlossen ist, und so ausgebildet ist, daß es die Steuerschaltung (44) steuern kann, wobei die Steuerschaltung (44) so ausgebildet ist, daß sie Steuersignale für die jeweiligen Digital-Analog-Umformschaltungen (34A-K) erzeugen kann, so daß das Summen-Ausgangspotential der Digital-Analog-Umformschaltungen (34A-K) stufenweise um ein Potential entsprechend jedem jeweiligen Bit, wie es bestimmt ist, erhöht oder verringert wird, und wobei jeder der Digital-Analog-Wandler (34A-K) vom Ladungsrückverteilungstyp ist, und die gleiche Konfiguration und die gleichen Komponentenwerte hat, und jeweils aufweist ein Feld von wenigstens l + 1 parallelen Kondensatoren mit binär bewerteten Kapazitäten, mit Ausnahme, daß die zwei Kondensatoren mit den niedrigsten Werten jedes Feldes den gleichen Kapazitätswert haben, wobei die einen Enden aller Kondensatoren der Felder gemeinsam an den ersten Eingang des Komparators (36) angeschlossen sind, und eine Anzahl von Schaltern S jeweils an die anderen Enden der Kondensatoren angeschlossen sind, wobei die Schalter S so gesteuert werden, daß eine erforderliche große Kapazität durch Parallelschalten einer entsprechenden Anzahl von Kondensatoren der Felder, die eine kleinere Kapazität als die große Kapazität haben, realisiert wird.
2. Wandler nach Anspruch 1, wobei jedes Kondensatorfeld aus l + 2 Abtast- und Halte-Kondensatoren zusammengesetzt ist.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Eingang des Komparators (36) an einen Anschluß einer Kondensatoreinrichtung angeschlossen ist, deren anderer Anschluß an die Referenzspannung angeschlossen ist, wobei die Kondensatoreinrichtung eine Kapazität gleich der Gesamtkapazität aller Kondensatoren aufweist, die in allen Digital-Analog- Umformschaltungen enthalten sind.
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