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Einrichtung zur Umwandlung eines Analogsignals in ein Signal von Digitalform,
insbesondere zur Informationsübertragung mittels Puls-Code-Modulation Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zur Umwandlung eines Analogsignals in ein Signal
von Digitalform, insbesondere für Zwecke der Übertragung von Informationen mittels
Puls-Code-Modulation.
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Für die Umwandlung eines Analogsignals in ein Signal von Digitalform
sind im wesentlichen drei Verfahren bekannt. Allen Verfahren ist gemeinsam, daß
aus dem Analogsignal ein Momentanwert in gewissen Zeitabständen entnommen und auf
seinen Amplitudenwert mit einem einen bestimmten Amplitudenwert aufweisenden Normsignal
verglichen wird. Bei dem ersten der drei Verfahren (Zählmethode) wendet man nur
ein einziges Normsignal an und stellt lediglich fest, wie oft dieses Normsignal
in dem Abtastwert des Analogsignals enthalten ist. Bei dem zweiten Verfahren, das
auch Iterationsmethode genannt wird, wendet man mehrere, vorzugsweise dual in -der
Amplitude gestaffelte Normsignale in der Weise an, daß zunächst mit dem größten
Normsignal festgestellt wird, ob es kleiner oder größer als der Abtastwert des Analogsignals
ist. Dann wird, falls vorhanden, für den Amplitudenrest des Abtastsignals diese
Probe gegebenenfalls noch mit den anderen kleineren Normsignalen wiederholt. Beim
dritten bekannten Verfahren werden alle überhaupt möglichen Normsignal-Amplitudenwerte
gleichzeitig mit dem Abtastwert des Analogsignals verglichen, und nur der am besten
mit dem Abtastwert übereinstimmende Normsignalwert wird ausgewertet.
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Diese Verfahren sind hinsichtlich gerätemäßigem und zeitlichem Aufwand
untereinander verschieden zu werten. Bei Verwendung nur eines Normsignals ist zwar
der apparative Aufwand relativ gering. Die Anzahl der zu wiederholenden Takte ist
aber sehr groß. Bei dem letztgenannten Verfahren ist der apparative Aufwand am größten,
die Gewinnung der gewünschten Digitalangabe erfordert aber die geringste Zeit, nämlich
nur einen Takt. Beim zweiten Verfahren wird ein mittlerer Wert zwischen Aufwand
und Zeit erhalten.
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Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben,
lassen sich aber bei relativ kurzer Codierungszeit besonders günstige Verhältnisse
hinsichtlich des apparativen Aufwandes dann erreichen, wenn eine Einrichtung zur
Anwendung gebracht wird, die nach einem Zwischenverfahren zwischen dem zweiten und
dem dritten der drei erläuterten Verfahren arbeitet.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Umwandlung eines Analogsignals
in ein Signal in Digitalform ist dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Eingang für
das Analogsignal eine erste Gruppe eingangsseitig paralleler Amplitudenvergleichsstufen
verbunden ist, deren Amplitudenabstufung im Vergleich zu der gesamten vorgesehenen
Stufenzahl relativ grob ist, daß eine weitere Gruppe von eingangsseitig parallelen
Amplitudenvergleichsstufen vorgesehen ist, deren Amplitudenstufung nur einen Teil
der gesamten vorgesehenen Stufenzahl umfaßt und relativ fein ist, aber wenigstens
dem maximalen Stufenabstand innerhalb der ersten Gruppe entspricht, daß außerdem
Schaltmittel vorgesehen sind, die die zweite Gruppe eingangsseitig parallelgeschalteter
Amplitudenvergleichsstufen der ersten Gruppe aufschalten, welche dem umzusetzenden
Analogsignalwert am nächsten kommt, und daß eine Auswerteschaltung sowohl mit der
ersten Gruppe als auch mit der zweiten Gruppe von Amplitudenvergleichsstufen und
dieser gegebenenfalls in analoger Weise nachgeschalteten weiteren Gruppen von Amplitudenvergleichsstufen
verbunden ist, die jeweils aus den Amplitudenvergleichsstufen der einzelnen Gruppen,
deren Amplitudenwert dem jeweils eingespeisten Analogsignalwert in der Auswertung
am nächsten kommt, das Ausgangssignal in digitaler Form ableitet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer derartigen Einrichtung
besteht in Weiterbildung der Erfindung darin, daß an den Eingang für das Analogsignal
ein erster Einschrittcodierer angeschaltet ist, dessen Amplitudenstufung verglichen
mit der gesamten anzuwendenden Stufenzahl, relativ grob ist,
daß
weiterhin eine Decodierungsschaltung vorgesehen ist, die aus dem vom Einschrittcodierer
abgegebenen Signal in Digitalform ein Analogsignal zurückgewinnt, und daß mit dem
Analogsignalausgang der Decodierungsschaltung und dem Analogsignaleingang des ersten
Einschrittcodierers eine Schaltung zur Bildung der Amplitudendifferenz beider Signale
verbunden ist, deren Ausgang mit einer zweiten Codierschaltung mit im Vergleich
zur ersten Codierschaltung feinen Amplitudenstufung verbunden ist, deren Digitalausgang
zusammen mit dem Digitalausgang der ersten Codierschaltung einer das endgültige
Digitalsignal abgebenden Auswerteschaltung verbunden ist.
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Vorteilhaft ist es bei erfindungsgemäßen Einrichtungen, wenn die Amplitudenwerte
wenigstens einer der Gruppen von Amplitudenvergleichern geringfügig gegenüber den
für diese Gruppe maßgeblichen Sollwerten und derart verschoben sind, daß die jeweils
nachfolgende feiner auswertende Gruppe von Amplitudenvergleichern Amplitudenwerte
nur einer Polarität erhält.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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Die F i g. 1 zeigt als Beispiel den Amplitudenverlauf eines Analogsignals
A in Abhängigkeit von der Zeit t in Form eines Diagramms. Wie in der F i g. 1 angedeutet,
werden in der Regel bei Puls-Code-Modulation dem Analogsignal in äqudistanten Zeitabständen
t. kurze Amplitudenproben S1 der Zeitdauer dt entnommen. Diese Amplitudenproben
S 1
werden bei Puls-Code-Modulationen in der einleitend geschilderten Art
lediglich als Information in Form von Signalfolgen, beispielsweise in einem Binärcode,
übertragen, und aus diesen Signalfolgen wird empfangsseitig ein dem ursprünglichen
Amplitudenprobenwert entsprechender Analogsignalwert wiedergewonnen. Die zeitliche
Folge der so auf der Empfangsseite erhaltenen Folge von Analogsignalwerten gibt
dann durch Anwendung eines Tiefpaßfilters in an sich bekannter Weise das ursprüngliche
Analogsignal wieder.
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Der am Eingang der Codieranordnung etwa in Form von PAM (Pulsamplitudenmodulation)
angebotene »primäre« Analogwert gelangt gemäß der F i g. 2 zur »groben« Codierung
auf den Einschrittcodierer A an sich bekannter Bauweise. An seinen Ausgängen
1 bis p fallen gleichzeitig die digitalen Zeichen für den betreffenden Analogwert
an. »Grobes« Codieren bedeutet, daß die Zahl der Amplitudenstufen für die endglültige
Codierung nicht ausreicht; das digitale Zeichen am Ausgang von A enthält somit nur
die höherwertigen Binärstellen des zu codierenden »primären« Analogwertes. Die Ausgänge
1 bis p von A werden nun einem Decodierer D zugeführt, der die Binärzahl
von A in den grob mit dem Eingangssignal übereinstimmenden »sekundären Analogwert«
umsetzt. Letzterer ist beim Binärcode - eine einwandfreie Codierung und Decodierung
vorausgesetzt - stets kleiner als der »primäre« Analogwert. Ein Differenzverstärker
DV stellt den Unterschied zwischen primärem und sekundärem Analogwert fest und gibt
die Differenzgröße DG zur Codierung der niederen Digitalstellen auf den zweiten
Einschrittcodierer B. Durch engere Unterteilung der Amplitudenstufen des ebenfalls
in an sich bekannter Weise als Einschrittcodierer ausgebildeten Codierers B bildet
dieser die niederen Stellen der geforderten Binärzahl für den primären Analogwert,
vorausgesetzt, daß sich die Abstufung der Codieramplituden von B richtig in die
Stufung der Amplituden des Codierers A einfügt. Außerdem muß der Arbeitsbereich
des Codierers B mindestens einer Amplitudenstufe des Codierers A entsprechen. Da
sich die Codierbereiche beider Codierer aus Sicherheitsgründen überlappen müssen,
gewinnt man die endgültige Digitalzahl dadurch, daß man die Binärzahlen an den Ausgängen
der beiden Einschrittcodierer A, B in eine Addierschaltung Ad
addiert.
Die Ausgänge des Codierers B sind mit 1' bis q' bezeichnet.
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Bei der Codierung von Nachrichten treten - wie in der F i g. 3 durch
Toleranzstreifen dargestellt -zwei verschiedene Fehler auf. Erstens der durch den
Codierprozeß (d. h. durch die Festlegung auf eine bestimmte Amplitudenstufenzahl)
bedingte »systematische Fehler« Fs, zweitens der durch unvermeidliche Ungenauigkeiten,
fehlerhaften Abgleich usf. gegebene »Abgleichfehler« Fa.
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Wie aus der F i g. 3 ersichtlich, muß der Codierer B zur Überdeckung
der Fehlerbereichs von A
einen Amplitudenumfang von Fam",+Fs besitzen. Nimmt
man an, daß eine Amplitudenstufe des Codierers A durch 2(q'-1) Amplitudenstufen
des Codierers B ausgefüllt wird, so sind wegen des Abgleichfehlers von
A also bei B
Amplitudenstufen notwendig. Nachfolgend sei immer angenommen, daß der Abgleichfehler
Fa bei A zwischen 0 und 1 Amplitudenstufe von A liege. Zur vollständigen Überdeckung
der Codierbereiche müssen Codierer A und Codierer B dann eine Digitalstelle
gemeinsam haben, was bedeutet, daß der höchsten Digitalstelle von B die niedrigste
Digitalstelle von A entspricht. Für B sind unter der besagten Annahme
nach obiger Formel dann 2q' Amplitudenstufen notwendig.
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Hat der Codierer A insgesamt p, der Codierer
B
insgesamt q' Digitalstellen, so verarbeitet die gesamte Anordnung bei einer
Überdeckung der Codierbereiche von einer Digitalstelle 2 (p+q'-1) Amplitudenstufen.
Eine Codieranordnung mit 256 Amplitudenstufen würde bei Verwendung eines Einschrittcodierers
256 Amplitudendiskriminatoren erfordern, bei der vorgeschlagenen Anordnung sind
nur 48 Amplitudendiskriminatoren erforderlich. Die Codierungszeit umfaßt aber nur
zwei Takte, wenn man jeden Codierungsvorgang als einen Takt betrachtet.
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Der Einschrittcodierer A erfordert, der höheren Wertigkeit seiner
Digitalstellen entsprechend, eine höhere relative Genauigkeit als der Codierer B.
Bei richtiger Überdeckung der Codierbereiche, einwandfreier Decodierung und Differenzbildung
wird jedoch der Fehler des Codierers A durch die nachfolgende Addition der Zeichen
von B zu den Zeichen von A wieder beseitigt. Ein eventueller Fehlbetrag des sekundären
Analogwertes wird nämlich durch Differenzbildung mit dem primären Analogwert festgestellt,
die Differenz im Codierer B in digitale Zeichen umgesetzt und am Ausgang zur Binärzahl
von A hinzuaddiert, so daß die Zahl am Ausgang der Anordnung bei richtiger Differenzbildung
und Decodierung nur Fehler des Codierers B enthält.
Der an dem Ausgang
von A und B liegende Addierer Ad kann besonders einfach sein, da nur eine
Digitalstelle zu addieren ist. Einen Schaltungsvorschlag für eine schnell arbeitende
derartige Schaltung zeigt die F i g. 4. Die Digitalzahl von A sei z. B.
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a1 a2 ao 0 0
und am Ausgang von B z. B.
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b2 bi bo .
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Die durch Summation am Ausgang von
Ad er-
scheinende Zahl ist
somit
| a2 a1 ao 0 0 |
| -I- 6a b1 bo |
| C5 C4 C3 C2 Cl Co . |
Die Ziffer 1 werde an allen Eingängen des Addierers durch eine für alle Eingänge
gleiche Spannung Uo dargestellt; bei Ziffer 0 ist die Spannung Null. Die Spannung
U, erzeuge nun mittels Vorwiderständen in den in der F i g. 4 als
AD gekennzeichneten
Amplitudendiskriminatoren die Ströme
wobei der Index
»an« andeuten soll, daß der betreffende Strom vom Eingang
an herrührt; K ist eine durch die Schaltung gegebene ganze Zahl. Für K=1 werden
die Ströme IQ", Ib,t=Io; dieser Strom I, reiche gerade zur »Schaltung« der Amplitudendiskriminatoren
aus. - Als Amplitudendiskriminatoren sind z. B. Tunneldioden denkbar, die mit Vorstrom
in an sich bekannter Weise betrieben werden. - Das bedeutet, daß der Amplitudendiskriminator
eine in seinem Ausgang konstante Spannung abgibt, wenn er eingangsseitig einen Strom
erhält, der größer als 1o ist. Die Ausgänge von jeweils zwei Amplitudendiskriminatoren
führen auf einen Differenzverstärker D, der bei Vorhandensein einer Differenzspannung
am Ausgang Spannung (»eine 1«) führt. Ist z. B. am Ausgang von A die Zahl 01100,
und bei B die Zahl 110 vorhanden, so schalten die Diskriminatoren ADund
AD.' (C2=0), ferner
AD,
und AD.' (C,=0)-sowie AD4, nicht
aber AD4 (C4=1). Man erkennt, daß am Ausgang die geforderte Zahl 10010 entsteht.
Da die Addition nur einen Zeitschritt benötigt, arbeitet sie vorteilhaft schnell.
Diese Addierschaltung kann auch für andere Zwecke der Datenverarbeitung, beispielsweise
in Rechenanlagen, mit Vorteil verwendet werden.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird also das
zu codierende »primäre« Analogsignal in einem Einschrittcodierer A, dessen Arbeitsbereich
in nur wenige Amplitudenstufen eingeteilt ist, grob codiert. Die an den Ausgängen
von A anfallende Digitalzahl wird darauf mit Hilfe eines Decodierers in einen ebenfalls
nur grob mit dem Eingangssignal übereinstimmenden Analogwert zurückgewandelt. Diesen
vom Decodierer abgegebenen »sekundären« Analogwert vergleicht ein Differenzverstärker
mit dem am Eingang der Anordnung vorhandenen primären »Analogwert«. Die entstehende
Differenz gibt man auf einen zweiten Einschrittcodierer B mit feinerer Amplitudenabstufung
und kleinerem Amplitudenbereich als bei Codierer A. Die digitalen Zeichen an den
Ausgängen B und A
ergeben, in einem einfachen Addierer aufaddiert,
die gewünschte Digitalzahl für den primären Analogwert. Die durch geringfügige überlappung
der Codierbereiche von A und B (bei fehlerfreier Decodierung und Differenzbildung)
ermöglichte Unterdrükkung der Codierfehler von A und die Einsparung von Amplitudendiskriminatoren
bilden die Vorteile der Anordnung.
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Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist, wenn
auch durch Anwendung von Relais nur schematisch angedeutet, in der F i g. 5 gezeigt.
Hierzu darf gleich im voraus darauf hingewiesen werden, daß an Stelle der Relais
die an sich bekannten zeitlich wesentlich schneller arbeitenden Dioden und Transistorenschaltungen
anwendbar sind, deren ausführliche Darstellungen in der Zeichnung jedoch das Verständnis
des an Hand der F i g. 5 behandelten Schemas wesentlich erschweren würden.
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Bei der Einrichtung nach der F i g. 5 soll beispielsweise zwischen
24 Amplitudenstufen unterschieden werden. Zu diesem Zweck sind zwei Gruppen von
Differenzverstärkern D 1 bis D 4 und D 5
bis D 8 in der Weise
vorgesehen, daß je vier eingangsseitig parallel geschaltet sind. Den so eingangsseitig
parallelgeschalteten Differenzverstärkern D 1 bis D 4 wird über den Eingang 1 die
hinsichtlich ihres Arnplitudenwertes auszuwertende Amplitudenprobe (F i g. 1) zugeführt.
Die einzelnen Differenzverstärker D 1 bis D 4 sind unterschiedlich
stark vorgespannt, und zwar durch die Vorspannungen U1 bis U4. Die Amplitudendifferenz
zwischen Ui und U2, UZ und U3 sowie U3 und U4 haben jeweils den gleichen Wert von
fünf Vierundzwanzigstel des maximal auszumessenden Amplitudenwertes der Amplitudenprobe.
Weiterhin ist beim Ausführungsbeispiel noch ein Differenzverstärker D 0 vorgesehen,
um auch die niedrigsten Amplitudenstufen von 1 bis 5 zu erfassen. Weiterhin ist
zur Vereinfachung der Erklärung angenommen, daß die minimale Amplitudenstufe, um
die unterschieden werden soll, 1 Volt beträgt. Die Differenzverstärker
D 0 bis D 8
werden gegensätzlich zur Polarität der ihnen zuzuführenden
Amplitudenproben vorgespannt. In den Zeichnungen ist dies durch die Vorspannungswerte
Uo bis U$ angedeutet. Die Vorspannungswerte gestalten sich dabei unter Zugrundelegung
einer feinsten Amplitudenstufe von 1 Volt wie folgt.
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U0 = 0 Volt U1 = 20 Volt U2 = 15 Volt U3 = 10 Volt U4 = 5 Volt
U5 = 4 Volt U6 = 3 Volt U7 = 2 Volt U8 = 'Volt An den Ausgang jedes der Differenzverstärker
D0 bis D8 ist über einen Gleichrichter ein Relais R0 bis R 8 angeschaltet. Die Gleichrichter
sind dabei so gepolt, daß bei einer Polarität der Ausgangsspannung des einzelnen
Differenzverstärkers, die einem Eingangsspannungswert entspricht, der niedriger
als die jeweilige Differenzverstärkervorspannung ist,
der Gleichrichter
in Sperrichtung beansprucht ist. überschreitet bei derartiger Wahl der Polarität
der Gleichrichter die jeweils dem Eingang des einzelnen Differenzverstärkers zugeführte
Analogwertspannung und den Vorspannungswert, so wird der Gleichrichter des
zugehörigen Differenzverstärkers in umgekehrter Richtung beansprucht und leitend.
Infolgedessen spricht das über diesen Gleichrichter angeschaltete Relais an. Damit
nun jeweils nur das Relais anspricht, dessen zugehöriger Differenzverstärker von
allen ansprechenden Differenzverstärkern den niedrigsten Amplitudenwert hat, ist
eine Folgeschaltung von Kontakten in der Weise vorgesehen, daß beispielsweise bei
Ansprechen des höchstbewertenden Differenzverstärkers D 1 die Relais der Differenzverstärker
D 0, D2, D 3 und D 4 in ihrem Erregungsstromkreis unterbrochen
werden. Die Kennzeichnung der zu den einzelnen Relais R 0 bis R 8 gehörigen Kontakte
ist dabei so vorgenommen, daß die Kontakte mit r und jeweils zwei Indizes bezeichnet
sind, von denen der erste mit dem des jeweiligen Relais übereinstimmt und der zweite
angibt, um das wievielte Kontaktpaar des betreffenden Relais es sich handelt. Auf
diese Weise wird sichergestellt, daß bei Zuführung der Analogsignal-Amplitudenprobe
über 1 der Ausgang nur eines der Differenzverstärker D 0 bis D
4 auf den Eingang Il der zweiten Gruppe von Differenzverstärkern aufgeschaltet
wird. Die Gesamtschaltung der zweiten Gruppe entspricht praktisch der Grundschaltung
der ersten Gruppe, so daß auf diesbezügliche Erläuterungen verzichtet werden kann.
Die zweite Gruppe von Differenzverstärkern nimmt sozusagen von dem verbleibenden
Amplitudenrest, der aus der ersten Gruppe von Differenzverstärkern in Il eingespeist
wird, eine Feinauswertung um die kleinste vorgesehene Amplitudenstufe von 1 Volt
vor.
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Man erhält auf diese Weise in zwei Arbeitstakten, nämlich durch eine
Grobauswertung in D 0 bis D 4
und durch eine Feinauswertung in
D 5 bis D 8 eine exakte Angabe darüber, wie der Amplitudenwert der
Amplitudenprobe digital einzustufen ist. Hat beispielsweise in der ersten Gruppe
das Relais R 3 und in der zweiten Gruppe das Relais R 7 angesprochen, so wird in
die Umsetzungsschaltung U für die Gewinnung des endgültigen Binärcodes eine Information
über r. und r?. eingespeist. Der Umsetzungsschaltung U kann dann das Signal in einem
Binärcode entnommen werden. Die Umsetzungsschaltung U kann dabei ebenfalls eine
der an sich für diese Zwecke bekannte Schaltung sein. An Stelle einer Umsetzungsschaltung
U ist es natürlich auch möglich, auf diese überhaupt zu verzichten und beispielsweise
über neun Leitungen die Informationen unmittelbar zum Empfangsort zu übertragen.
Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 5 sind die Kontaktpaare r.0, r10, Tee,
r... T40> T901 T009 T701 reo sowie T01, T,S, T.4, T3., T421 r84, reg, r72, r18 Arbeitskontakte
und die Kontaktpaare r11, r12, r1,, r14, r21, r22, reg, r.1, r32, r41 sowie r81,
reg, r.., r.1, reg, r71 Ruhekontakte.