Digital-Analog-Umwandler Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Um- wandler, bei dem mit steigender Anzahl der in eine Flip-Flop-Zählkette eingegangenen Impulse die ana loge elektrische Ausgangsgrösse in Form einer Trep penkurve mit beliebiger, aber fest vorgegebener maxi maler Stufenzahl anwächst. Je genauer hierbei die Konstanz der Treppenstufen eingehalten werden kann, um so genauer wird die der digitalen Summe entspre chende analoge Ausgangsgrösse sein.
Es ist ein Digital-Analog-Umwandler bekannt, der zwei in Kette geschaltete Flip-Flops als binäre Zähl stufen, zwei Transistor-Tore und ein stromsummie rendes Glied aufweist, an dessen Ausgang in diesem Falle eine Treppe mit vier Stufen entsteht.
Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Schal tung besteht darin, dass die Anzahl der Stufen S = 2u betragen muss, wobei n ganzzahlig und positiv ist; da die Flip-Flop-Zählkette durch Rückkopplung auf eine beliebige Zahl zählen kann, damit aber auch Stufen überspringt, ist die Schritthöhe der Treppenkurve nicht mehr konstant.
Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Um- wandler der eingangs erwähnten Art und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve dadurch entsteht, dass die Flip-Flop-Glieder je ein ihnen zugeordnetes Tor steuern und jedes dieser Tore einen bestimmten Stromwert fliessen lässt, wobei diese Stromwerte Min- destens einem stromsummierenden Glied zugeführt werden.
Bei einer grossen Stufenzahl S muss der Grund stromwert I sehr klein gewählt werden, da der maxi male Stromwert Im = I.." sehr gross werden kann, die Strombelastbarkeit des stromsummierenden Tores aber thermisch begrenzt ist. Zudem beeinträchtigt eine grosse Belastung die Linearität des Analogsignals.
Dieser Nachteil kann behoben werden durch eine Aufteilung auf mehrere stromsummierende Glieder; die ihrerseits über ein multiplizierendes Glied verbun den sind. Bei dieser Anordnung kann allerdings für S keine Primzahl gewählt werden.
Ein besonderer Vorteil liegt in der Verwendung von Diodentoren; die Linearität wird grösser, da der Spannungsabfall über der Diode kleiner ist als der Spannungsabfall Kollektor-Emitter bei Transistoren.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel beschrie ben: Die Fig. 1 stellt eine bekannte Schaltung dar. Sie besteht aus zwei in Kette geschaltete Flip-Flops als binäre Zählstufen, zwei Transistor-Torschaltungen und einem stromsummierenden Glied. Grundsätzlich läuft die Schaltung folgendermassen:
Es sei angenommen, dass die beiden Flip-Flop- Ausgänge in Grundstellung das Potential 0 haben, so dass die beiden Transistoren T11 und T21 gesperrt sind. Die Spannung Vce dieser beiden Transistoren beträgt V1-Vbe des Transistors T10. Vbe ist jedoch vernachlässigbar klein. Die Spannung am Kollektor von T10 beträgt V2, da durch R10 kein Strom fliessen kann.
Wird auf die Zählschaltung ein Impuls gegeben, wird T11 leitend und sowohl durch R1 als auch R10 fliesst der Strom
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Die Spannung V am Ausgang beträgt somit
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Nach dem zweiten Impuls ist T11 gesperrt T21 leitend
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EMI0002.0001
Nach dem dritten Impuls ist TI 1 leitend T21 leitend
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Daraus ist ersichtlich, dass die Spannung V-V2 schrittweise mit konstanter Schritthöhe zunimmt. Diese Schaltung kann erweitert werden auf S = 211 Stufen,
wobei die Kollektorwiderstände der Schalt transistoren auf
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abgestuft sein müssen. Die Schritthöhe bleibt so lange konstant, bis der Transistor T10 gesättigt ist. Die Schrittkonstanz ist nur abhängig von den Wider standstoleranzen und vom Verhältnis
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welches möglichst gross gehalten werden sollte, sowie vom Reststrom durch die Transistoren Tll und T21 und vom Verstärkerfaktor ss des Transistors T10.
Bei Verwendung von Dioden (Fig.2) an Stelle von Transistoren als Tore ergeben sich folgende Ver hältnisse: V2 kann sehr klein gehalten werden, z. B. - 2 Volt, muss aber < 0 sein, damit die Dioden D2 sperren, wenn die Eingänge von den Flip-Flop her null sind. Neben der Einfachheit hat diese Schaltung den Vorteil, dass die Schrittkonstanz
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ist.<I>VD</I> ist jedoch kleiner als Vce, so dass<I>d</I> grösser wird.
In Fig. 3 ist ersichtlich, dass für eine Stufenzahl von S = 3 folgende Möglichkeiten bestehen: a) T1 erste Binärstelle: Il = 1 R1 = R T3 zweite Binärstelle: 12 = 1 R1 = R
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<I>Il <SEP> 12</I> <SEP> Summe <SEP> 1
<tb> O <SEP> O <SEP> 0
<tb> X <SEP> O <SEP> 1
<tb> X <SEP> X <SEP> 2 Die Reihenfolge der Stromnummern ist dem nach 0-1-2. b) T2 erste Binärstelle: Il - 1 Rl = R T4 zweite Binärstelle: 12 = 1 R 1 = R Die Kurvenform wird gleich wie bei a), jedoch in umgekehrter Reihenfolge 2-1-0.
c) T2 erste Binärstelle: Il = 2 R I = R/2 T3 zweite Binärstelle: 12 = 1 R l = R
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<I>12 <SEP> Il</I> <SEP> Summe <SEP> 1
<tb> O <SEP> X <SEP> 2
<tb> O <SEP> O <SEP> 0
<tb> X <SEP> O <SEP> 1 Die Reihenfolge der Stromnummern ist in die sem Fall 2-0-1.
d) TI erste Binärstelle: Il = 1 R1 = R T4 zweite Binärstelle: 12 = 2 R1 = R/2 In diesem Fall ist die Reihenfolge l-0-2.
In Fig. 4 sei T1 erste Binärstelle:<I>Il</I> = 1 RI = R T3 zweite Binärstelle: 12 = 2 R 1 = R/2 T5 dritte Binärstelle: 13 = 1 R 1 = R
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<I>13 <SEP> 12 <SEP> Il</I> <SEP> Summe <SEP> 1
<tb> O <SEP> O <SEP> O <SEP> 0
<tb> O <SEP> O <SEP> X <SEP> 1
<tb> O <SEP> X <SEP> O <SEP> 2
<tb> O <SEP> X <SEP> X <SEP> 3
<tb> X <SEP> X <SEP> X <SEP> 4 Dies ergibt eine fünfstufige Schaltung.
In Fig. 5 sei T2 erste Binärstelle: I I = 1 R 1 = R T4 zweite Binärstelle: 12 - 2 R l = R/2 T6 dritte Binärstelle: 13 = 2 R1 = R/2
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<I>13 <SEP> 12 <SEP> Il</I> <SEP> Summe <SEP> 1
<tb> O <SEP> O <SEP> O <SEP> 0
<tb> O <SEP> O <SEP> X <SEP> 1
<tb> O <SEP> X <SEP> O <SEP> 2
<tb> X <SEP> O <SEP> X <SEP> 3
<tb> X <SEP> X <SEP> O <SEP> 4
<tb> X <SEP> X <SEP> X <SEP> 5 Dies ergibt eine sechsstufige Schaltung.
In Fig. 6 sei T1 erste Binärstelle: 11 = 1 R1 = R T3 zweite Binärstelle: 12 = 2 R1 = R/2 T5 dritte Binärstelle: 13 = 3 R I = R/3
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13 <SEP> 12 <SEP> Il <SEP> Summe <SEP> 1
<tb> O <SEP> O <SEP> O <SEP> 0
<tb> O <SEP> O <SEP> X <SEP> 1
<tb> O <SEP> X <SEP> O <SEP> 2
<tb> O <SEP> X <SEP> X <SEP> 3
<tb> X <SEP> O <SEP> X <SEP> 4
<tb> X <SEP> X <SEP> O <SEP> 5
<tb> X <SEP> X <SEP> X <SEP> 6 Dies ergibt eine siebenstufige Schaltung.
Mit der Rückkopplung, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, kann jede beliebige Stufenanzahl S erreicht wer den. Es gilt dann folgende Gesetzmässigkeit: 2n>SJ2n-1 Während des Überganges vom Schritt 2n-1-1 zu Schritt 2n-1 müssen die n-1 ersten Flip-Flop vom n-ten Flip-Flop so gesteuert sein, dass die Binärzahl des Schrittes 2n-1 X = 2n-S + 2n-1 beträgt.
Die Stromwertigkeit des n-ten Stromtores beträgt dann 1f2 <I>= (S -</I> 2n-1) -1.
Für hohe Stufenzahlen werden nun die Strom wertigkeiten einzelner Tore sehr hoch, so z. B. für die Stufenzahl S = 140 (2n-1). 1 = 128 - 1.
Dadurch wird die Konstanz der Schritthöhe in Frage gestellt.
Fig. 7 zeigt nun die Möglichkeit, die Schrittzahl in Faktoren zu zerlegen. Dabei ist ZSl = Zählschal tung mit der Schrittanzahl Sl, ZS2 = Zählschaltung mit der Schrittanzahl<I>S2</I> und<I>D</I> sind die Tore.
Fig. 8 zeigt das Stromdiagramm.
Für S-140 z. B. sei Sl = 10 und S2 = 14. Da durch werden die Stromwerte nicht grösser als 6 X 1. R10 und R20 ertragen jedoch nur kleine Toleranzen.
Die Stufenzahlen Si mehrerer ihrerseits in Kette geschalteter Zählschaltungen werden multipliziert. Da mit die Schritthöhe konstant bleibt, kann folgende Bedingung aufgestellt werden, sofern die Strom schritthöhe beider Zählschaltungen = 1 ist.
Spannung (V - V2) nach (S1 + 1) Schritten . = Spannung<I>(V - V2)</I> nach 1 Schritt +<I>(V - V2)</I> nach S1 Schritten.
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V-V2 <SEP> =1-(R10+R20)
<tb> nach <SEP> (S1 <SEP> + <SEP> 1) <SEP> Schritten
<tb> V-V2 <SEP> =1-R10
<tb> nach <SEP> S1 <SEP> Schritten
<tb> V-V2 <SEP> =1-R10
<tb> nach <SEP> 1 <SEP> Schritt
<tb> 1-(R10+R20)-Sl-I-R10 <SEP> =1-R10
<tb> R20=S1-R10 Für weitere Glieder kann folgende allgemeine Gleichung gelten:
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