DE1221273B

DE1221273B - Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines Analogwertes in eine n-stellige Binaerzahl

Info

Publication number: DE1221273B
Application number: DES72588A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Karl Euler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-02-17
Filing date: 1961-02-17
Publication date: 1966-07-21
Also published as: BE614025A; GB939780A; US3255449A; SE301171B; NL274853A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/00

Nummer: 1221273

Aktenzeichen: S 72588 VIII a/21 al

Anmeldetag: 17. Februar 1961

Auslegetag: 21. Juli 1966

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines Analogwertes in eine n-stellige Binärzahl, deren einzelne Stellen durch schrittweisen Vergleich des Analogwertes mit ¹U, ¹At, Vs... des maximalen Amplitudenwertes ermittelt werden.

Bei einer bekannten derartigen Schaltungsanordnung wird der umzusetzende Analogwert als Spannung in einem Kondensator gespeichert und nacheinander mit ¹It, ¹U, ¹Ie einer dem maximalen Amplitudenwert entsprechenden Spannung verglichen. Übersteigt der umzusetzende Analogwert die halbe maximale Spannung, so wird die erste Stelle der Binärzahl als »1« gekennzeichnet und diese Spannung von der in dem Kondensator gespeicherten Spannung subtrahiert. Anschließend wird die Restspannung am Kondensator mit ¹U der Maximalspannung verglichen. Falls die Restspannung diesen Spannungswert nicht überschreitet, wird die zweite Stelle der Binärzahl als »0« gekennzeichnet, und von der Restspannung am Kondensator wird nichts subtrahiert. In der gleichen Weise laufen die Vorgänge bei den restlichen Vergleichsschriften ab.

Diese Schaltungsanordnung weist den Nachteil auf, daß sich die mit der Analogspannung zu vergleichende Vergleichsspannung durch mehrere hintereinandergeschaltete Stufenspannungen zusammensetzt, die kein gemeinsames Erdpotential haben dürfen. Hierdurch ergeben sich Schwierigkeiten, die nur durch erhöhten Aufwand umgangen werden können.

Es ist weiterhin eine Schaltung bekannt, die eine Digital-Analogumsetzung mit Hilfe eines Spannungsvergleichs durchführt. Diese Schaltung arbeitet jedoch mit einer der Zahl der jeweiligen Stufen entsprechenden Anzahl exakt geeichter Bezugsspannungsquellen. Der der oben beschriebenen Schaltung eigene Nachteil wird dabei jedoch nur durch den anderen Nachteil vermieden, daß eine Reihe von äußerst genau bemessenen Spannungsquellen vorhanden sein muß.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung werden diese Nachteile vermieden. Erfindungsgemäß ist ein stromabhängiger Widerstand mit Kippeigenschaften (Kippwiderstand) vorgesehen, über den ein dem Analogwert entsprechender Analogstrom geführt wird, der über einen ersten Vorwiderstand so eingestellt ist, daß sein Strommaximum beim Wert 0 des Analogstromes liegt und den Stufenströmen mit -¹It, -¹U. —Ve... des den maximalen Amplitudenwert entsprechenden Analog-

Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines
Analogwertes in eine n-stellige Binärzahl

Anmelder:

Siemens &Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Dr. Karl Euler,
Pullach (Isartal)

stromes über η parallele, nacheinander durchlässig gesteuerte Schalter zugeführt werden, von denen jeweils der letzte durchlässig bleibt bzw. wieder gesperrt wird und dadurch die entsprechende Binärstelle festlegt, wenn der Analogstrom die Summe der jeweils eingeschalteten Stufenströme über- bzw. unterschreitet. Der Analogwert wird also in einen Analogstrom und nicht wie der bei bekannten Anordnungen in eine Analogspannung umgewandelt.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist als derartiger Kippwiderstand eine Tunneldiode vorgesehen. Jeder Stelle der Binärzahl ist dabei ein bistabiles Speicherglied zugeordnet, das bei Beginn des zugeordneten Vergleichsschrittes in die »1«-Lage umgeschaltet wird und dadurch den zugeordneten Schalter durchlässig steuert. Die jeweils an der Tunneldiode abfallende Spannung wird einem Spezialverstärker zugeführt, der an seinem Ausgang nur dann eine Spannung abgibt und das zugeordnete Speicherglied wieder in die »O«-Lage zurückschaltet, wenn der Analogstrom kleiner als die Summe der Stufenströme ist und an der Tunneldiode deshalb eine vergleichsweise niedrige Spannung abfällt. Nach Beendigung des Umsetzvorganges entsprechen also die Zustände der Speicherstufen den verschiedenen Stellen der Binärzahl.
Die zur Umsetzung benötigten Zeiten werden vorteilhaft aus einem Taktverteiler abgeleitet.

Der Vorteil der Anordnung gemäß der Erfindung liegt in erster Linie in der Verwendung preiswerter und unempfindlicher Vergleichselemente. Wegen des geringen Leistungspegels und der großen Stabilität des Strommaximums genügen geringe Stromstärken zur Darstellung der einzelnen Amplitudenstufen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auch

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Claims

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Tunneldioden mit einem relativ schlechten Ver- durch der Strom I_max/4 über den Widerstand RZ

hältnis von Strommaximum zu Stromminium ver- wieder abgeschaltet.

wendet werden können. In der gleichen Weise werden über die bistabilen

Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von Kippstufen K3 und K4, die Koinzidenzgatter G3

in der Zeichnung dargestellten vorteilhaften Aus- 5 und G 4, die Widerstände R 3 und R 4 und die Ko-

führungsbeispielen erläutert, bei denen als Kipp- inzidenzgatter Gl und G8 die weiteren Stellen der

widerstände Tunneldioden vorgesehen sind. Binärzahl ermittelt. Die Widerstände R 3 bzw. R 4

In Fig. 1 zeigt die Kurve 1 die Kennlinie der sind dabei so bemessen, daß der durch sie fest-

Tunneldiode TD nach Fig. 1 ohne Vorspannung. gelegte zusätzliche Stromfluß gleich I_max/8 bzw.

Durch den Strom Jv über den Widerstand Rv aus io I_max/16 ist.

der Spannungsquelle U 1 ist die Kennlinie der Am Ende des Umsetzvorganges entsprechen also

Tunneldiode TD so weit nach unten verschoben die Lagen der bistabilen Kippstufen Kl bis K4 den

(Fig.
2, Kurve 2), daß das Strommaximum bei der verschiedenen Stellen der Binärzahl. Zur Taktzeit 19

Spannung U— genau bei dem Strom / = O liegt. werden die Zustände dieser Kippstufen abgefragt,

Am EingangE (Fig. 1) wird ein dem umzusetzen- 15 um dadurch an den Ausgängen Al bis A4 die

den Analogwert entsprechender Analogstrom vor- Binärzahl in Paralleldarstellung zu erhalten. Zur

geführt. Von dem Taktverteiler TV wird zur Takt- Taktzeit tlO werden alle Kippstufen wieder in die

zeitil die bistabile Kippstufe Kl in die »1«-Lage »O«-Lage zurückgestellt.

umgeschaltet und dadurch das Koinzidenzgatter Gl Die Anordnung befindet sich dann wieder im

durchlässig gesteuert. Von der Spannungsquelle Ul 20 Ausgangszustand.

ausgehend, kann sich nunmehr ein Stromfluß über Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterdas Koinzidenzgatter Gl, den Widerstand Al und scheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach die Tunneldiode TD ausbilden. Der Widerstand Al Fig. 1 lediglich dadurch, daß der Taktverteiler TV ist dabei so bemessen, daß dieser Stromfluß der nur halb so viele Taktzeiten liefert und dem Spezial-Hälfte des dem maximalen Amplitudenwert ent- 25 verstärker V ein Verzögerungsglied VZ nachgeschalsprechenden Analogstromes I_max gleich ist. Wie an tet ist, das die Ausgangsspannungen dieses SpezialHand von Fig. 2 zu erkennen ist, bei der jetzt Verstärkers um eine Taktzeit verzögert. Ein von wegen des zweiten Vorstromes l_maj2 Kurve 3 gilt, dem Taktverteiler TV abgegebener Taktimpuls befällt an der Tunneldiode TD eine Spannung ab, die wirkt gleichzeitig die Umschaltung einer bistabilen größer als U+ ist, wenn der am Eingang E zu- 30 Kippstufe in die »1«-Lage und gleichzeitig gegeführte Analogstrom größer als der über den gebenenfalls die Rückstellung der vorhergehenden Widerstand Al fließende Strom ist. Am Eingang des Kippstufe in die »O«-Lage. Beispielsweise schaltet Spezialverstärkers V tritt also eine vergleichsweise der Taktimpuls ti die bistabile Kippstufe K3 in die hohe Spannung auf. Dieser Spezialverstärker V ist »1«-Lage um und bewirkt gleichzeitig, falls das derart ausgeführt, daß an seinem Ausgang nur dann 35 Koinzidenzgatter G 6 durch die gegebenenfalls voreine Spannung auftritt, wenn seine Eingangs- handene Ausgangsspannung des Verstärkers V über spannung kleiner als U— ist. Dies ist zunächst der das Verzögerungsglied VZ vorbereitet ist, die Zurück-Fall, wenn der Analogstrom I kleiner als I_max/2 ist. stellung der bistabilen Kippstufe Kl in die »O«-Lage. Der vom Taktverteiler TV zur Taktzeit 11 ab- Der Taktimpuls t5 fragt die Kippstufen Kl bis K4 gegebene Impuls kann also das Koinzidenzgatter G 5 40 ab und stellt sie gleichzeitig in die »O«-Lage zurück, nicht durchlaufen, und die bistabile Kippstufe Kl Gleichzeitig schaltet der Taktimpuls i5 die Kippbleibt in der »1«-Lage liegen und kennzeichnet die stufe Kl in eine »!«-Lage um und leitet damit den erste Stelle der Binärzahl als eine »1«. Das Ko- nachfolgenden Umsetzvorgang ein.
inzidenzgatter Gl bleibt demzufolge ausgesteuert, Die beschriebenen Umsetzerschaltungen nutzen und über die Tunneldiode wird ständig der durch 45 die Eigenschaft der Tunneldioden, bei sehr niedrigem den Widerstand R1 festgelegte Strom/_max/2 geführt. Leistungspegel zu arbeiten, aus. Versuche haben

Zur Taktzeit ti wird vom Taktverteiler TV die ergeben, daß es genügt, eine Amplitudenstufe durch

bistabile Kippstufe Kl in die »1«-Lage umgeschaltet ungefähr 0,25 mA darzustellen. Der in F i g. 1 bzw. 3

und dadurch das Koinzidenzgatter Gl ausgesteuert. dargestellte Umsetzer mit 16 Amplitudenstufen be-

Nunmehr bildet sich ein weiterer Stromfluß von der 50 nötigt dabei nur 4 mA eingeprägten Strom. Weiter-

Spannungsquelle Ul über das Koinzidenzgatter Gl, hin können bei den dargestellten beschriebenen Um-

den Widerstand Rl und die Tunneldiode TD aus. setztern »schlechte« Tunneldioden verwendet wer-

Der WiderstandR1 ist so bemessen, daß dieser zu- den, die z.B. ein Verhältnis von Strommaximum zu

sätzliche Stromfluß gleich I_maxl4 ist. Es sei an- Stromminimum von nur 2:1 aufweisen. Durch die

genommen, daß der umzusetzende Analogstrom 55 hohe Grenzfrequenz der Tunneldioden ist es

zwischen I_max/2 und I_max/2+I_max/4 liegt. weiterhin möglich, sehr schnelle Umsetzer zu bauen.

Wie an Hand von F i g. 2 (Kurve 4) zu erkennen

ist, fällt an der Tunneldiode TD nunmehr eine Patentansprüche:
Spannung ab, die kleiner als U— ist und an dem

Eingang des Spezialverstärkers V anliegt. An dessen 60 1. Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines

Ausgang tritt nunmehr also eine Spannung auf, die Analogwertes in eine n-stellige Binärzahl, deren

die Koinzidenzgatter G 5 bis G 8 vorbereitet. Der einzelne Stellen durch schrittweisen Vergleich des

nachfolgende Taktimpuls f 4 des Taktverteilers TV Analogwertes mit V2, ¹U, Vs... des maximalen

kann also das Koinzidenzgatter G 6 duchlaufen und Amplitudenwertes ermittelt und durch die Stel-

stellt die bistabile Kippstufe Kl wieder in die 65 lung eines aus bistabilen Kippstufen aufgebauten

»O«-Lage zurück. Die zweite Stelle der Binärzahl Speichers dargestellt werden, wobei die -einzelnen

wird dadurch als »0« gekennzeichnet und außerdem Stufen dieses Speichers bei Beginn eines Ver-

das Koinzidenzgatter Gl wieder gesperrt und da- gleichschrittes in eine definierte Lage (»!«-Lage)

geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekannter stromabhängiger Widerstand mit Kippeigenschaften (Kippwiderstand) vorgesehen ist, der durch einen ersten Vorwiderstand so eingestellt wird, daß sein Strommaximum beim Wert »0« des über ihn fließenden, dem Analogwert entsprechenden Analogstroms liegt (Fig. 2) und daß dem Kippwiderstand (TD) über η parallele Widerstände (R₁... jR₄), die über η parallele nacheinander durchlässig gesteuerte Schalter (G₁... G₄) an eine einzige Spannungsquelle (EZ₁) angeschaltet werden, Stufenströme mit —V«, -¹U, -¹Is des dem maximalen Amplitudenwertes entsprechenden Analogstroms zugeführt werden, wobei¹ die Steuerung der einzelnen Schalter (G₁... G₄) so geschieht, daß jeweils der letzte durchlässig bleibt bzw. wieder gesperrt wird und dadurch die entsprechende Binärstelle festlegt, wenn der Analogstrom die Summe der jeweils eingeschalteten Stufenströme über- bzw. unterschreitet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Kippwiderstand (TD) jeweils abfallende Spannung einem Spezialverstärker (V) zugeführt wird, der an seinem Ausgang nur dann eine Spannung abgibt und das zugeordnete Speicherglied wieder in die »O«-Lage zurückschaltet, wenn der Analogstrom kleiner als die Summe der Stufenströme ist und an der Tunneldiode (TD) deshalb eine vergleichsweise niedrige Spannung abfällt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Umsetzung benötigten Zeiten aus einem Taktverteiler (TV) abgeleitet werden.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktimpuls ein Speicherglied in die »1«-Lage versetzt und abhängig von einer am Ausgang des Spezialverstärkers (V) auftretenden und der am Kippwiderstand (TD) abfallenden Spannung entsprechenden Signalspannung das vorhergehende Speicherglied gegebenenfalls in die »O«-Lage zurückschaltet.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spezialverstärker (F) ein Verzögerungsglied (VZ) mit einer Verzögerungszeit von einer Taktzeit nachgeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1046 374;
»IBM-Technical Disclosure-Bulletin«, Nr. 8, Januar 1961, S. 26.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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