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Digital-A-nalog-Umsetzer Es ist bekannt, eine mehrstellige Binärzahl,
die durch den Schaltzustand von bistabilen Kippstufen gespeichert ist, auf elektronischem
Wege in einen analogen Wert, z. B. in einen Strom, umzusetzen, der dem Zahlenwert
proportional ist. Derartige Anordnungen nennt man Digital-Analog-Umsetzer. Es ist
bereits eine große Anzahl verschiedener Digital-Analog-Umsetzer bekanntgeworden.
Die Erfindung bezieht sich auf einen speziellen Digital-Analog-Umsetzer, bei dem
der analoge elektrische Strom aus einzelnen Teilströmen mit Hilfe von Teilwiderständen
erzeugt wird, die parallel an eine konstante Spannung anschaltbar sind. Die Teilströme
fließen bei dieser Anordnung in einem Punkt zusammen und durchfließen gemeinsam
als analoger elektrischer Strom den Verbraucherwiderstand.
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Auch für Digital-Analog-Umsetzer, die nach diesem Prinzip arbeiten,
gibt es bereits vier verschiedene Ausführungsformen: Bei der ersten Ausführungsform
erfolgt die Ad-
dition der Teilströme zu dem Gesamtstrom mit Hilfe eines sogenannten
Summierverstärkers. Dieser Summierverstärker ist ein stark gegengekoppelter Verstärker,
bei dem infolge der starken Gegenkopplung der Summationspunkt praktisch auf Nullpotential
liegt. Die Anforderungen an einen solchen Summierverstärker in bezug auf Nullpunktstabilität
und Ausgangsleistung sind jedoch sehr hoch.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist an Stelle des Summierverstärkers
direkt der Verbraucherwiderstand eingeschaltet. Um Fehler zu vermeiden, die dadurch
entstehen, daß der an diesem Widerstand auftretende Spannungsabfall. den Strom durch
die Teilwiderstände merklich - und unterschiedlich verkleinert, muß der Widerstand
jedoch sehr klein im Verhältnis zu den Teilwiderständen d. h. vernachlässigbar
klein sein. Im praktischen Betrieb läßt sich aber bei alleiniger Anwendung dieser
Methode nur eine sehr geringe Genauigkeit erzielen.
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Bei der dritten Ausführungsform eines nach dem Teilstromprinzip arbeitenden
Digital-Analog-Umsetzers werden keine an einer konstanten Spannung liegende Teilwiderstände
benötigL Die einzelnen Teilströme werden vielmehr mittels elektronischer Schaltungen
als eingeprägte Ströme, geliefert. In diesem Fall ist die Summierung in einem Verbraucherwiderstand
ohne Fehler möglich. Die Ausführung solcher Schaltungen ist aber für große Ströme
sehr aufwendig.
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Bei der vierten Ausführungsform werden keine Schalter benutzt, die
nur die gewählten Teilwiderstände einschalten, sondern sogenannte Umschalter, die
in dem einen Schaltzustand den gewählten Teilwiderstand einschalten, im anderen
Schaltzustand je-
doch jeweils an einen Hilfswiderstand angeschlossen sind.
Dies bewirkt, daß der Innenwiderstand der gesamten Teilwiderstandsschaltung für
alle Schaltzustände konstant ist Die Methode läßt sich jedoch für Umsetzer, die
zwecks hoher Arb--itsgeschwindigkeit mit Transistorschaltem aufgebaut sind, nicht
ohne erheblichen Aufwand und ohne daß gewisse Ungenauigkeiten in Kauf genommen werden
müssen, anwenden.
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Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen wird bei der Anordnung gemäß
der Erfindung kein besonderer Suminierverstärker benötigt. Der Verbraucherwiderstand
braucht außerdem nicht vernachlässigbar klein gegen die Teilwiderstände zu sein,
und gegenüber der bekannten Anordnung mit eingeprägten Teilströmen ist der Aufwand
bei der Anordnung gemäß der Erfindung wesentlich geringer. Erfindungsgemäß wird
dies dadurch erreicht, daß ein mit der Teilwiderstandsschaltung und dem Verbraucherwiderstand
in Serie an der Betriebsspannungsquelle liegender regelbarer Widerstand vorgesehen
ist, der abhängig vom Spannungsabfall an der Teilwiderstandsschaltung so gesteuert
wird, daß der Spannungsabfall bei allen Schaltzuständen des Umsetzers konstant ist.
Besonders vorteilhaft ist es, die Steuerspannung für den regelbaren Widerstand einer
zur Teilwiderstandsschaltung parallel geschalteten Brückenschaltung zu entnehmen.
Drei Zweige dieser Brückenschaltung können aus Widerständen gebildet sein, während
der vierte Brückenzweig aus einer Zenerdiode besteht, die als Spannungsnormal dient.
Je nach Wahl des regelbaren Widerstandes kann es zweckmäßig sein, zwi-
.sehen
die Brückenschaltung und den regelbaren Widerstand einen Verstärker einzuschalten.
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Eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung wird
an Hand der Figur näher erläutert.
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Der Digital-Analog-Umsetzer besteht im wesentlichen aus den Schaltern
SO bis Sn, die z. B. von Kippstufen, in denen der Digitalwert gespeichert
ist, gesteuert werden, und den Widerständen R 0 bis R n,
die zur Erzeugung
der Teilströme 10 bis In dienen. Die Schalter SO bis Sn bestehen
vorteilhafterweise aus Transistoren. Im Punkt C werden die Teilströme 10
bis In zum Gesamtstrom I vereinigt. Dieser GesamtstronI stellt den analogenWert
zu demDigitalwert dar, der in den die Schalter SO bis Sn steuernden
Kippstufen gespeichert ist. Er fließt durch den VerbraucherwiderstandR, der derjeweiligenAufgabe
entsprechend ausgebildet ist. Zwischen dem Punkt A
und dem Punkt B liegt eine
Spannung U. Entsprechend dem Schaltzustand der Schalter SO
bis Sn ändert sich der vom Punkt A zum Punkt C und über den
Widerstand R zum Punkt B fließende, aus den einzelnen Teilströmen 10 bis In entsprechend
dem Schaltzustand des Umsetzers bestehende Strom I. Nlit der Änderung des Schaltzustandee
der SchalterSO bis Sn ändert sich natürlich der zwischen den Punkten A und
B vorhandene Widerstand und damit auch das Verhältnis des Verbraucherwiderstandes.
R zu
dem Widerstand der zwischen den Punkten A und
C
liegenden ParaUelschaltung derWiderstände R 0 ... Rn. Mit
der Änderung des Verhältnisses des Widerstandes R zu dem Widerstand der ParalleIschaltung
der Widerstände R 0 ... R n ändert sich aber auch das Verhältnis
der zwischen den Punkten A und C einerseits und der zwischen den Punkten
B und C andererseits abfallenden Spannungen. Voraussetzung für eine fehlerfreie
Umsetzung der Digitalwerte, in analoge elektrische Ströme ist aber, daß die Spannung
zwischen den Punkten A und C für alle Schaltzustände konstant bleibt.
Ist dies nämlich nicht der Fall, dann tritt zu der von dem Schaltzustand der Schalter
SO
bis S n hervorgerufenen Änderung des Stromes I noch
eine Änderung des gleichen Stromes durch die ÄndeTung der zwischen den Punkten
A und C liegenden Spannung.
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F,rfindungsgemäß wird dieser Fehler, der durch den zusätzlichen
Spannungsabfall an dem Verbraucherwiderstand R hervorgerufen wird und eine
Emiedrigung der zwischen den Punkten A und C herrschenden Spannung bewirkt,
durch einen mit der Teilwiderstandsschaltung und dem Verbraucherwiderstand in Serie
liegenden regelbaren Widerstand beseitigt, der, unabhängig vom Schaltzustand der
Schalter SO bis Sn, die Spannung zwischen den Punkten A und
C auf einem konstanten Wert hält. Bei der dargestellten Anordnung besteht
dieser regelbare Widerstand aus dem Regeltransistor T, der über den Regelverstärker
V von der aus den Widerständen Ra, Rb, Rc und der Zenerdiode, Z bestehenden
Brückenschaltung gesteuert wird. An den Klemmen U
liegt die züm Betrieb des
Digital-Analog-Umsetzers nötige Betriebsspannung. Wie aus der Figur zu entnehmen
ist, liegt der Regeltransistor T in Serie mit dem Digital-Analog-Umsetzer an dieser
Betriebsspannung. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Regeltransistors T wirkt dabei
als regelbarer Widerstand.
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Die zur Gewinnung der Regelspannung für den Regeltransistor T vorgesehene
Brückenschaltung, die parallel zu der aus den Widerständen R 0 bis
R n sowie den Schaltern SO bis Sn bestehenden Teilwiderstandsschaltung
liegt, besteht in drei Zweigen aus Widerständen, von denen einer als regelbarer
Wider-5 stand zum Abgleich der Brücke ausgebildet ist. Der vierte Brückenzweig wird
von einer Zenerdiode Z gebildet, die als. Spannungsnormal dient.
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Die Anordnung arbeitet wie folgt: Ausgegangen werden soll bei den
folgenden Betrachtungen z. B. von dem Fall, daß mit den Schaltern SO
bis Sn der kleinste mögliche Digitalwert, d. h. damit auch der kleinste
mögliche durch den Verbraucherwiderstand R fließende, analoge. Strom I eingestellt
ist. Wird der Schaltzustand der Schalter SO bis Sn geändert,
d. h. der Digitalwert und damit auch der analoge Strom I größer, dann verändert
sich das Verhältnis des Widerstandes R zum Gesamtwiderstand der zwischen den PunktenA
und C liegenden Parallelschaltung der Widerstände R 0 ...
R n, und zwar wird der zwischen den Punkten A und C vorhandene
Widerstand kleiner. Damit fällt aber auch zwischen den Punkten A und
C weniger Spannung ab als im vorhergehenden Schaltzustand. Da die aus den
Widerständen Ra, Rb, Rc und der Zenerdiode Z bestehende Brückenschaltung
ebenfalls zwischen die Punkte A
und C eingeschaltet ist, ändert sich
auch die. an ihr liegende Spannung. Andererseits wird aber die Spannung zwischen
den Punkten C und D durch die Zenerdiode Z auf einem konstanten Wert
gehalten. Bei Änderung der zwischen den Punkten A und C
liegenden Spannung
ändert sich also in dem aus dem Widerstand Ra und der Zenerdiode Z bestehenden Brückenzweig
nur die zwischen den Punkten A und D
liegende Spannung. Damit verschiebt
sich aber die zwischen den Punkten D und E herrschende Spannung so,
daß der Regelverstärker V eine andere Eingangsspannung als im vorhergehenden Schaltzustand
erhält. Da der Regelverstärker Y je nach der an seinen Eingangsklemmen liegenden
Spannung einen anderen Strom an den Regeltransistor T liefert, ändert sich mit der
Veränderung der zwischen den Punkten A und C liegenden Spannung auch
die Aussteuerung des Regeltransistors T. Im vorliegend betrachteten Fall,
d. h. bei Erhöhung des Stromes I und der damit zunächst erfolgenden Erniedrigung
der zwischen den Punkten A und C abfallenden Spannung, muß der Durchlaßwiderstand
des Regeltransistors T geringer werden, um die zwischen den Punkten A
und
C Regende Spannung wieder auf den gleichen Wert anzuheben, der bei dem vorhergehenden
Schaltzustand vorhanden war.
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Bei dem kleinsten umzusetzenden Digitalwert hat also der Regeltransistor
T infolge des Regelvorganges seinen höchsten Durchlaßwiderstand. Umgekehrt hat er
seinen niedrigsten Durchlaßwiderstand, wenn der größtmögliche Digitalwert in einen
analogen elektrischen Strom umgesetzt wird.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gleicht aber nicht nur
Fehler aus, die durch den unterschiedlichen Schaltzustand des Umsetzers hervorgerufen
werden, sondern auch solche Fehler, deren Ursache eine, Veränderung der Betriebsspannung
ist. Dies ist ohne weiteres einzusehen, wenn man bedenkt, daß der durch den Verbraucher
R fließende analoge elektrische Strom zusätzlich zu seiner Regelung durch
den Schaltzustand der Schalter SO
bis Sn noch durch den Regeltransistor T
in Abhängigkeit von der zwischen den Punkten A und C liegenden
Spannung
geregelt wird. Ändert sich also die Betriebsspannung U, dann ändert sich
auch die zwischen den Punkten A und C liegende Spannung. Damit wird
der Regeltrausistor T anders ausgesteuert und sein Widerstand im Sinne eines Ausgleichs
verändert. Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung regelt also unabhängig von
der Betriebsspannung und unabhängig vom Schaltzustand der Schalter SO bis
Sn die an der Teilwiderstandsschaltung R 0 ... R n liegende
Spannung auf einen konstanten Wert. Für einen Digital-Analog-Umsetzer, der gemäß
der Erfindung aufgebaut ist, erübrigt es sich also, eine Vorrichtung vorzusehen,
die eine geregelte Betriebsspannung bereitstellt, wie es für die bekannten Ausführungsforinen
von Digital-Analog-Umsetzem sonst nötig ist.