DE1268663B - Bipolarer Analog-Digital-Umsetzer nach der Iterationsmethode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/00

Nummer: 1268 663

Aktenzeichen: P 12 68 663.4-31

Anmeldetag: 5. Mai 1966

Auslegetag: 22. Mai 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung positiver und negativer analoger Eingangswerte in in einem digitalen Register gespeicherte Digitalwerte. Die Vorrichtung gehört zu jener Kategorie von Analog-Digital-Umsetzern, für die folgende Komponenten typisch sind: ein Schaltglied zur Addition des analogen Eingangswertes und eines mit Hilfe eines Digital-Analog-Umsetzernetzwerkes durch sukzessive Approximation gewonnenen zweiten Analogwertes; ein Vergleicher, der den analogen Ausgangswert des Additionsschaltgliedes mit einem Referenzwert vergleicht, und eine Sequenzsteuerungsschaltung, der das Vergleichsresultat zugeführt wird und die in sukzessiven Schritten in den einzelnen Stufen des das Digital-Analog-Umsetzernetzwerk steuernden digitalen Registers Digitalwerte einstellt, die von Schritt zu Schritt den analogen Eingangswert in der Weise immer genauer approximieren, daß am Vergleicher der Unterschied zwischen dem Additionsschaltgliedausgangswert und dem Referenzwert immer kleiner wird.

Nach dem heutigen Stand der Technik sind die Vorrichtungen zur Umsetzung analoger Signale in digitale Größen bereits weitgehend entwickelt, und es gibt eine große Anzahl verschiedener Typen von Analog-Digital-Umsetzern. Zu einer bekannten Kategorie von Analog-Digital-Umsetzern zählen beispielsweise diejenigen Vorrichtungen, die als Umsetzer vom sukzessiven Approximationstyp bezeichnet werden. Dieser Typ von Geräten umfaßt im wesentlichen ein digitales Register zur Speicherung einer digitalen Zahl sowie ein Widerstandsnetzwerk zur Umsetzung einer digitalen Größe in ein entsprechendes Analogsignal, wobei das erzeugte analoge Signal die in dem digitalen Register gespeicherte digitale Größe repräsentiert. Das umzusetzende analoge Eingangssignal wird mit dem vom Digital-Analog-Umsetzernetzwerk erzeugten analogen Signal verglichen. Wenn die beiden miteinander verglichenen Signale größenordnungsmäßig nicht innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen, wird die im digitalen Register gespeicherte digitale Größe verändert, wodurch sich auch die Amplitude des vom Digital-Analog-Umsetzernetzwerk erzeugten Analogsignals entsprechend ändert. Der Vorgang des Vergleichens des analogen Ausgangssignals vom Digital-Analog-Umsetzernetzwerk mit dem analogen Eingangssignal und die Veränderung der in dem digitalen Register gespeicherten digitalen Größe, wenn die beiden miteinander verglichenen Analogsignale nicht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen, wird in einem sukzessiven Approximationsverfahren so lange fortgesetzt,

Bipolarer Analog-Digital-Umsetzer nach der
Iterationsmethode

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-phil, G. B. Hagen, Patentanwalt,

8000 München-Solln, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:

Hjalmar Ottesen, Los Gatos, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 1. Juni 1965 (460 431)

bis das vom Digital-Analog-Umsetzernetzwerk erzeugte Analogsignal und das analoge Eingangssignal praktisch gleich groß geworden sind. Ist dieser Zustand erreicht, so entspricht die im digitalen Register gespeicherte digitale Größe oder Zahl der Größe des analogen Eingangssignals, und es kann die Umsetzung des Analogsignals in eine digitale Größe als beendet betrachtet werden. Für diese Kategorie von Analog-Digital-Umsetzern ist es wichtig, daß man im allgemeinen für Referenzzwecke eine Spannungsoder Stromquelle benötigt, die eine der Polarität des analogen Eingangssignals entgegengesetzte Polarität aufweist. Da eine solche Energiequelle für Referenzzwecke benutzt wird, muß sie grundsätzlich von hoher Qualität sein und darf in ihren abgegebenen Potentialwerten keinen Schwankungen unterliegen, sondern muß sich durch ein Höchstmaß an Stabilität der elektrischen Werte auszeichnen.

Es sind bereits verschiedene Verfahren bekanntgeworden zur Umwandlung bipolarer analoger Eingangssignale bei Analog-Digital-Umsetzern vom sukzessiven Approximationstyp. Bei einem Verfahren macht man beispielsweise Gebrauch von einem zweipoligen Umschalter, mit dem die Eingangskontakte umgepolt werden, wenn das analoge Eingangssignal von negativer Polarität ist. Ein nach diesen Prinzipien arbeitender Analog-Digital-Umsetzer ist bei-

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spielsweise im USA.-Patent 2 892186 beschrieben. Vorrichtungen dieser Ausführungsform sind in ihrem Anwendungsbereich beträchtlich eingeschränkt, indem sie für Systeme nicht anwendbar sind, in denen die umzusetzenden analogen Eingangssignale zwischen einer Eingangsleitung und Masse liegen. Man spricht hierbei von Systemen mit unipolaren Eingangsleitungen. In solchen Systemen ist also die Anwendung der obenerwähnten Umpoltechnik für die Verarbeitung bipolarer
nicht möglich.

von ihrem geforderten Ausgangswert die Linearität des Analog-Digital-Umsetzers verlorengeht; und zwar werden in einem solchen Fall nur die Eingangssignale einer Polarität bei der Umsetzung in digitale 5 Ausgangssignale verfälscht, nicht dagegen die analogen Eingangssignale der anderen Polarität.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen bipolaren Analog-Digital-Umsetzer vom sukzessiven Approximationstyp zu schaffen, der mit

analoger Eingangssignale io einer einzigen Präzisionsenergiequelle auskommt,

welche ein Ausgangspotential nur einer Polarität

In einer anderen Ausführungsfonn bipolarer liefert. Dabei soll die Linearität des Analog-Digital-Analog-Digital-Umsetzer benutzt man zwei Präzi- Umsetzers erhalten bleiben.

sionsenergiequellen für das Widerstandsnetzwerk des Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch

Digital-Analog-Umsetzers. Die erste Energiequelle 15 einen Umschaltkreis, der den Vergleicher zwecks benutzt man zur Umsetzung positiver analoger Ein- Bildung von je nach Polarität des analogen Eingangsgangssignale, während man die andere Energiequelle wertes verschiedenen Referenzwerten entweder mit heranzieht zur Umsetzung negativer analoger Ein- 'Masse (OV) oder mit der für das Digital-Analoggangssignale. Ein auf diesen Prinzipien aufgebautes Umsetzernetzwerk benutzten Präzisionsenergiequelle Ausführungsbeispiel ist in dem USA.-Patent 3 092 824 20 verbindet, wobei im zweiten Fall vom digitalen Rebeschrieben. Der Hauptnachteil dieser Ausführungs- gister das Zweierkomplement des Absolutwertes des form besteht in den hohen Kosten, die sich durch analogen Eingangswertes abnehmbar ist. die Verwendung von zwei Präzisionsenergiequellen Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

ergeben. Dabei ist es gleichgültig, ob man zwei tat- Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher sächlich getrennte Energiequellen für die Bereitstel- 25 beschrieben. Es zeigt

lung eines positiven und eines negativen Potentials F i g. 1 den Schaltkreis einer bevorzugten Ausfüh

rungsform des erfindungsgemäßen bipolaren Analog-Digital-Umsetzers,

Fig. 2 ein Zeit-Spannungs-Diagramm, das die 30 Umsetzung eines positiven analogen Eingangssignals anzeigt,

Fig. 3 ein Zeit-Spannungs-Diagramm, das die Umsetzung eines negativen analogen Eingangssignals anzeigt.

Die Hauptkomponenten des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels sind: Der Eingang 5 für die analogen Eingangssignale, das aus Widerständen und Schaltern aufgebaute Digital-Analog-Umsetzernetzwerk 6, ein Schaltglied zur Addition analoger Signale

vorsieht oder ob man eine zu einer Einheit vereinigte Energiequelle benutzt, deren einer Pol ein positives und deren anderer Pol ein negatives Potential von hoher Stabilität und Präzision liefert.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, zum
Zweck der Verarbeitung bipolarer Eingangssignale
bei den eingangs erwähnten, ein Additionsschaltglied
enthaltenden Systemen an das Additionsschaltglied
des Analog-Digital-Umsetzers selektiv in Abhängig- 35
keit von der Polarität des analogen Eingangssignals
Vorspannungen entsprechender Polarität anzulegen.
Bei einer solchen Ausführungsform benötigt man
zwar* nur eine Präzisionsenergiequelle von bestimmter Polariät für das Digital-Analog-Widerstandsnetz- 40 (Addierpunkt 7), "die Sequenzsteuerungsschaltung 8, werk. Allerdings benötigt man jetzt zusätzlich eine der Vergleicher 9, das an den Vergleicher 9 angeschlossene Umschaltmittel 10 zur Bildung verschiedener Referenzwerte, die Präzisionsenergiequelle 11, das digitale Register 12 und die Vorzeichensteue-45 rungsschaltung 13. Die allgemeine Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Analog-Digital-Umsetzers ist wie folgt: Die analoge Eingangsspannung vom Eingang 5 wird dem Addierpunkt 7 zugeführt; es handelt sich hierbei um das bekannte Kirchhoffsche

quelle, wobei allein diese Kosten zwischen 20 und 50 Additionsschaltglied mit Widerständen. Außerdem 30% der Gesamtkosten eines Analog-Digital-Um- wird dem Addierpunkt 7 ein zweites Analogsignal setzers betragen. Wenn man, wie beispielsweise in zugeführt, das vom Digital-Analog-Umsetzernetzden vorerwähnten Ausführungsformen, für einen werk 6 erzeugt wird. Der analoge Ausgangswert des Analog-Digital-Umsetzer zwei Präzisionsenergie- Additionsschaltgliedes 7 wird über die Leitung 91 quellen benötigt (oder eine Energiequelle sowohl mit 55 dem Vergleicher 9 zugeführt. In diesem Vergleicher 9 positiven als auch negativen Ausgangspotentialen), wird das durch Addition gebildete Analogsignal mit so ergibt sich dadurch eine beachtliche Steigerung einem Referenzsignal auf der Leitung 92 verglichen, der Kosten für eine solche Anlage. Beispielsweise dessen Potentialwert durch die Stellung des Umkostet eine Präzisionsenergiequelle, die sowohl posi- schalters 103 im Umschaltmittel 10 bestimmt ist. tive als auch negative Ausgangspotentiale zu liefern 60 Wenn der Vergleicher 9 feststellt, daß die vom Umimstande ist, mehr als einemhalbmal soviel wie eine schaltmittel 10 gelieferte Referenzspannung nicht Energiequelle, die nur ein positives Ausgangspotential gleich ist der Ausgangsspannung am Addierpunkt 7, liefert und deren zweiter Pol einen Referenzwert von so gibt der Vergleicher 9 ein Steuersignal an die neutraler Polarität darstellt. Sequenzsteuerungsschaltung 8 ab, die die im digi-

Ein Nachteil der Analog-Digital-Umsetzer mit zwei 65 talen Register 12 gespeicherte digitale Zahl abändert, Präzisionsenergiequellen entgegengesetzter Polarität was zur Folge hat, daß auch das vom Digital-Analogbesteht auch darin, daß bei einer eventuellen Ab- Umsetzernetzwerk 6 erzeugte zweite Analogsignal weichung einer der beiden Präzisionsenergiequellen eine entsprechende Änderung seiner Amplitude er-

Vorspannungsquelle, deren Polarität leider entgegengesetzt zur Energiequelle des Netzwerks sein muß, so daß man im Endeffekt auch wieder zwei unabhängige Energiequellen benötigt.

Bei kommerziellen, in Datenverarbeitungsanlagen benutzten Analog-Digital-Umsetzern besteht ein ganz wesentlicher Teil der Kosten eines Analog-Digital-Umsetzers in den Kosten für die Präzisionsenergie-

fährt. Da sich das analoge Eingangssignal an der Eingangsklemme 5 nicht ändert, tritt entsprechend der Änderung des zweiten Analogsignals auch eine Änderung des analogen Additionssignals auf der Ausgangsleitung 91 des Additionsschaltgliedes 7 auf. Für den Vergleicher 9 bestehen also jetzt andere Vergleichsbedingungen. Durch sukzessive Approximation wird der hier beschriebene Betriebsablauf fortgesetzt, bis das vom Digital-Analog-Umsetzernetzwerk 6 erzeugte zweite Analogsignal und das hinzuaddierte analoge Eingangssignal in der Hauptsache der vom Umschaltmittel 10 erzeugten Referenzspannung entsprechen. Wenn das vom Digital-Analog-Umsetzernetzwerk 6 erzeugte zweite Analogsignal gleich ist dem dem Eingang 5 zugeführten analogen Eingangssignal, so zeigt die im digitalen Register 12 gespeicherte Digitalzahl die Größe des der Eingangsklemme 5 zugeführten analogen Eingangssignals an. Die Umwandlung eines analogen Eingangswertes in eine digitale Größe, die man dem ao Register 12 entnehmen kann, ist damit beendet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Umwandlung jeweils mit einer bestimmten im digitalen Register 12 gespeicherten Digitalzahl begonnen wird, wobei durch sukzessive Approximation diese Zahl so lange ver- as ändert wird, bis sie das digitale Äquivalent des analogen Eingangswertes darstellt.

Wie aus weiter unten gegebenen Erläuterungen noch in Einzelheiten hervorgehen wird, repräsentiert beim Anlegen einer positiven analogen Eingangsspannung an die Eingangsklemme 5 die im digitalen Register 12 gespeicherte Zahl bei Beendigung des Umwandlungsvorganges die Größe der Amplitude dieser analogen Eingangsspannung. Wird hingegen an die Eingangsklemme 5 eine Eingangsspannung von negativer Polarität angelegt, so repräsentiert die im digitalen Register 12 stehende Zahl bei Beendigung des Umwandlungsvorganges das Zweierkomplement von derjenigen binären Zahl, die die Größe der Amplitude des analogen Eingangssignals darstellt. Im digitalen Register 12 ist eine Vorzeichenstelle S vorgesehen, die in entsprechender Weise gesetzt wird, um anzuzeigen, ob das an die Eingangsklemme 5 angelegte analoge Eingangssignal eine positive oder negative Polarität aufweist.

Das erfindungswesentliche Merkmal, wie es auch in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zum Ausdruck kommt, besteht im wesentlichen darin, daß der Vergleicher 9 die am Addierpunkt 7 auftretende Spannung mit dem Massepotential vergleicht, wenn eine positive analoge Eingangsspannung an die Klemme 5 angelegt wird, während der Vergleicher 9 die Spannung am Addierpunkt 7 mit einer negativen Referenzspannung vergleicht, wenn an die Eingangsklemme 5 eine Eingangsspannung von negativer Polarität angelegt wird. Dieses Merkmal führt zu dem vorteilhaften Ergebnis, daß der erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandler bipolare analoge Eingangssignale verarbeiten kann, obwohl die gesamte Vorrichtung nur eine einzige unipolare Präzisionsenergiequelle 11 umfaßt. Nachfolgend werden die einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert, und daran anschließend werden Einzelheiten der Betriebsweise der Vorrichtung erläutert.

Das Digital-Analog-Umsetzernetzwerk 6 umfaßt ein Widerstandsnetzwerk 15 mit mehreren Umschaltern 16. Die Umschalter 16 sind individuell mit den Bezugszeichen Wl bis W 6 bezeichnet. Das Widerstandsnetzwerk 15 besteht aus einem üblichen leiterförmigen Netzwerk mit mehreren Serienwiderständen 51 bis SS vom Wert .R und mehreren Parallelwiderständen P 0 bis P 6 vom Wert 2 R. Die Umschalter 16 verbinden die einzelnen parallelliegenden Sprossen des leiterförmigen Widerstandsnetzwerkes je nach Stellung der Schalter entweder mit Massepotential oder mit der Präzisionsenergiequelle 11. Bei den Umschaltern PFl bis W 6 handelt es sich um zweipolige Schalter mit jeweils einem Umschaltarm. Die rechten Pole der Umschalter sind gemeinsam mit der Präzisionsenergiequelle 11, und die linken Pole sind gemeinsam mit dem Massepotential verbunden. Damit ist also jede Sprosse des leiterförmigen Widerstandsnetzwerkes 15 entweder mit Masse, die das neutrale Potential Null aufweist, oder mit dem präzise konstant gehaltenen Potential der Energiequelle 11 verbunden.

Dem Fachmann ist die Betriebsweise von Digital-Analog-Umsetzern, die nach dem Prinzip der binären leiterförmigen Widerstandsnetzwerke arbeiten, geläufig. Kurz zusammengefaßt funktioniert der Digital-Analog-Umsetzer 6 wie folgt: Die von dem Widerstandsnetzwerk 15 an dem Addierpunkt 7 angelegte Spannung bezüglich Massepotential ist eine Funktion der Stellung der Umschalter Wl bis W 6. Die an den Addierpunkt 7 angelegte Spannung bei Umschaltung des Schalters 5 aus seiner linken Lage (Massepotential) in seine rechte Lage (Potential — 1 V) beträgt die Hälfte der Spannung, die an den Addierpunkt 7 angelegt wird durch Umschaltung des Schalters W 6 aus der linken in die rechte Schaltposition. Beginnt man beim Umschalter W 6 und bezeichnet man als nachfolgende Schalter die Umschalter WS, W 4 usw., so kann man als Kriterium für das leiterförmige Widerstandsnetzwerk 15 allgemein feststellen, daß jeder Umschalter jeweils die halbe Wirkung des vorhergehenden Schalters verursacht. Ist in einer bestimmten Position des digitalen Registers 12 ein Binärwert »1« gespeichert, so wird der zugeordnete Umschalter veranlaßt, die rechte Schaltstellung einzunehmen, d. h., wenn in einer bestimmten Stelle des digitalen Registers 12 eine Umschaltung vom Binärwert »0« in den Binärwert »1« stattfindet, so wird gleichzeitig der zugeordnete Umschalter 16 aus der linken in die rechte Schaltstellung umgeschaltet, d. h., es erfolgt eine Umschaltung vom Massepotential Null auf das Potential — 1 V der Präzisionsenergiequelle 11. Schaltungseinzelheiten für die Aktivierung der Umschalter 16 auf Grund der in den einzelnen Stellenwerten des Registers 12 gespeicherten Binärwerte und Details über mögliche Ausführungsformen der Schalter 16 brauchen offensichtlich nicht näher beschrieben zu werden, da sie einerseits für den Erfindungsgegenstand nicht relevant sind und andererseits dem Stand der Technik angehören. Einzelheiten hierüber kann man beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung J 21874 finden. Da — wie oben bereits ausgeführt — die von jedem Umschalter 16 hervorgerufene Wirkung jeweils die halbe Wirkung des vorausgehenden Umschalters ausmacht, so stellt die im Register 12 gespeicherte Zahl, die den Betrieb der Umschalter 16 steuert, die binäre Darstellung der vom Digital-Analog-Umsetzernetzwerk 6 an den Addierpunkt 7 angelegten analogen Spannung dar.

Auf der Ausgangsleitung 91 des Addierpunktes 7 erscheint die Summe aller dem Addierpunkt 7 züge-

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führten analogen Spannungen, also der vom Digital- nell hat die Sequenzsteuerung 8 die Aufgabe, die im Analog-Umsetzernetzwerk 6 zugeführten Spannung digitalen Register 12 gespeicherte Binärzahl so lange und der von der Eingangsklemme 5 zugeführten zu verändern, bis der Vergleicher 9 anzeigt, daß die analogen Eingangsspannung. Zwischen die Eingangs- Spannung am Ausgang 92 des Addierpunkts 7 prakklemme5 und den Addierpunkt 7 ist einAnpassungs- 5 tisch gleich ist der vom Umschaltkreis 10 erzeugten widerstand 51 geschaltet. Die Größe dieses Anpas- Spannung. Die logische Schaltung für eine solche sungswiderstandes 51 entspricht der Größe der Par- Sequenzsteuerung 8 ist beispielsweise auch in der allelwiderstände P Ibis P 6 in den Sprossenabschnitten bereits zitierten deutschen Patentanmeldung J 21874 des leiterförmigen Widerstandsnetzwerks 15. Durch beschrieben. Eine Alternativlösung für eine solche den Anpassungswiderstand 51 wird das System in die io Sequenzsteuerung wäre beispielsweise eine manuelle Lage versetzt, höhere Eingangsspannungen zu ver- Fortschaltung von Stellenwert zu Stellenwert im digiarbeiten, da die tatsächlich an den Addierpunkt 7 talen Register 12 im Verlaufe der schrittweise fortangelegte Spannung, verglichen mit der an der Ein- schreitenden Approximation, gangsklemme 5 wirksamen Eingangsspannung, durch An den Ausgang 93 des Vergleichers 9 ist eine

das Vorhandensein des Widerstandes 51 reduziert 15 Vorzeichensteuerungsschaltung 13 angeschlossen, die wird. Wie bereits erwähnt, vergleicht der Vergleicher 9 während eines bestimmten Arbeitszyklus des Systems die Ausgangsspannung des Addierpunktes 7 mit der auf das Ausgangspotential des Vergleichers 9 anvon dem Umschaltkreis 10 erzeugten Referenzspan- spricht. In welchem Abschnitt des Gesamtzyklus die nung. Dieser Umschaltkreis 10 erzeugt ein Referenz- Vorzeichensteuerung 13 in Betrieb gesetzt wird, erpotential von praktisch 0 V, wenn an die Eingangs- 20 gibt sich aus der weiter unten gegebenen Erläuterung, klemme 5 ein positives Eingangssignal angelegt wird. Sobald innerhalb dieses bestimmten Abschnittes des Wird hingegen an die Eingangsklemme 5 ein nega- Gesamtzyklus die Vorzeichensteuerung 13 ein Austives Eingangssignal angelegt, so erzeugt der Um- gangspotential Null auf der Ausgangsleitung 93 des schaltkreis 10 ein negatives Referenzpotential. Vergleichers 9 feststellt, setzen die Vorzeichensteue-

Der Umschaltkreis 10 umfaßt zwei Widerstände 25 rungskreise den binären Stellenwert S (Vorzeichen-101 und 102 sowie einen zweipoligen Umschalter 103 stelle) im digitalen Register 12 auf den Binärwert »1«; mit einem Umschaltarm. Der Wert des Widerstandes gleichzeitig wird der Schalter 103 im Umschaltkreis 101 beträgt R; durch ihn wird der untere Eingang 92 10 von rechts nach links geschaltet, d. h. vom Massedes Vergleichers 9 mit Masse verbunden. Der Wider- potential auf das Potential —IV der Präzisionsstand 102 hat den Wert 2 R; er verbindet den unte- 30 energiequelle 11. Vorzeichensteuerungsschaltkreise ren Eingang 92 des Vergleichers 9 mit dem Um- dieser Art sind durchaus konventionell und jedem schalter 103. Dieser Umschalter 103 verbindet den Fachmann auf diesem Gebiet bekannt, so daß auf Widerstand 102 je nach Schaltstellung entweder mit das Eingehen auf weitere Schaltungsdetails verzichtet Masse oder mit der Ausgangsleitung der Präzisions- werden kann. Zur Zahlendarstellung im digitalen Reenergiequelle 11. 35 gisterl2 sei gesagt, daß die Vorzeichenstelle S aus

Da der Vergleicher 9 eine hohe Eingangsimpedanz zeichnerischen Gründen ganz rechts angebracht ist, aufweist, liefert der Umschaltkreis 10 nur einen ver- daß die höchste Binärstelle durch D1 und die niedschwindend kleinen Stromanteil. Beispielsweise dürfte rigste Binärstelle durch D 6 dargestellt ist. Die Darer nur den Basisstrom für einen in der Eingangsstufe stellung der Stellenwerte in Fi g. 1 erfolgt somit gedes Vergleichers 9 befindlichen Transistor liefern. 40 rade in der umgekehrten Reihenfolge zur konven-Wenn somit der Umschalter 103 die Verbindung mit tionellen Schreibweise von binären Zahlen. Masse herstellt, so legt der Umschaltkreis 10 ein Für die weitere Beschreibung sei folgende Verein-

Referenzsignal von im wesentlichen 0 V an den unte- barung getroffen: Die in den F i g. 2 und 3 genannten ren Eingang 92 des Vergleichers 9 an; stellt der Um- Werte für die Spannungen am Addierpunkt 7 sind schalter 103 die Verbindung zur Präzisionsenergie- 45 bezogen auf die Eingangsklemme 5. Dies bedeutet in quelle 11 her, so legt der Umschaltkreis 10 eine Wirklichkeit, daß die in der nachfolgenden Beschrei-Referenzspannung von etwa -VsV an den unteren bung genannten Zahlen zur Bezeichnung der Span-Eingang 92 des Vergleichers 9 an. nungswerte am Addierpunkt 7 dreimal größer sind Schaltungsmäßig handelt es sich beim Vergleicher 9 als die Zahlen, die die Größe der Spannungen am um einen nicht invertierenden differentiellen Ver- 50 Addierpunkt repräsentieren, wenn diese Spannungen gleicher mit einer hohen Eingangsimpedanz. Wenn direkt zwischen Addierpunkt und Masse gemessen die zwischen den Eingangsklemmen 91 und 92 auf- würden. In gleicher Weise wird in der folgenden Betretende Spannung von solcher Polarität ist, daß die Schreibung auch der Spannungswert am Eingang 92 Klemme 91 positiver ist als die Klemme 92, so er- des Vergleichers 9 in bezug auf den Umschalter 103 scheint auf der Ausgangsleitung 93 des Vergleichers 55 angegeben. Demzufolge sind die zur Darstellung der eine positive Spannung. Wenn hingegen zwischen Referenzspannungen in der folgenden Beschreibung den Eingangsklemmen91, 92 des Vergleichers 9 ent- und in den Fig. 2 und 3 benutzten Zahlen tatsächweder keine Spannung oder eine solche Spannung lieh dreimal größer als die tatsächliche Größe der anliegt, daß die Klemme 92 positiver ist als die Spannungen am Eingang 92, wenn diese Spannungen Klemme 91, so erscheint keine Spannung auf der 60 in bezug auf Massepotential gemessen würden. Ausgangsleitung 93. Schaltungsmäßig macht man das Die tatsächliche Größe der verschiedenen Widerüblicherweise so, daß der Ausgang 93 für negative stände ist für den Erfindungsgegenstand nicht im Spannungen elektrisch an das Potential Null »ge- besonderen relevant. Der Wert dieser Widerstände klemmt« wird. stellt an sich einen Kompromiß beim technischen Bei der Sequenzsteuerungsschaltung 8 handelt es 65 Entwurf dar, den man treffen muß bezüglich des sich um eine konventionelle Sequenzsteuerung für benötigten Eingangsimpedanzwertes, den man an der einen nach dem sukzessiven Approximationsverfah- Eingangsklemme 5 benötigt, sowie bezüglich der zuren arbeitenden Digital-Analog-Umsetzer. Funktio- lässigen Ausgangsimpedanz für die Präzisionsenergie-

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quelle 11 und bezüglich der zulässigen Eingangs- 91 des Vergleichers 9 positiver als der Eingang 92. impedanz des Vergleichers 9. Beispielsweise könnte Infolgedessen wird der Vergleicher 9 ebenfalls wieder der Widerstandswert R 5000 Ohm betragen; dann so lange ein Ausgangssignal über die Ausgangsleitung würden die mit 2 R bezeichneten Widerstände jeweils 93 liefern, bis alle Schalter 16 (Wl bis W 6) in die einen Wert von 10 000 Ohm haben. Die tatsächliche 5 rechte Schaltstellung umgeschaltet worden sind, d. h. Größe des Ausgangspotentials der Energiequelle 11 bis alle sechs Schalter des Digital-Analog-Umsetzerist in gleicher Weise für den Erfindungsgegenstand netzwerkes 6 an dem negativen Potential von — 1 V nicht relevant. Geht man jedoch davon aus, daß die der Präzisionsenergiequelle liegen. Wenn dies der Widerstände die hier angegebenen Werte haben, so Fall ist, so ist im digitalen Register 12 die Binärzahl ist der maximale Bereich oder die maximale Spann- io 1111111 gespeichert. Die erste Stelle »1« entspricht weite des Systems gleich der Größe der von der der Vorzeichenstellei im Register 12; die dort erEnergiequelle 11 erzeugten Spannung. In der in scheinende »1« zeigt an, daß die der Klemme 5 zuge-F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist in einem führte analoge Eingangsspannung negativ ist. Wie speziellen Beispiel angenommen worden, daß das weiter oben bereits angedeutet wurde, bedeutet die Ausgangspotential der Präzisionsenergiequelle 11 den 15 für negative analoge Eingangsspannungen im Register Wert — 1V hat; demzufolge erstreckt sich die Spann- 12 gespeicherte Binärzahl das Zweierkomplement des weite des Systems von +1 bis — 1 V. Dies ist aus der Absolutwertes der Eingangsspannungsamplitude. Das folgenden Überlegung verständlich: Schaltet man den Zweierkomplement zu der in den sechs Registerstellen Umschalter W 6 von links nach rechts, also von Masse öl bis D 6 gespeicherten Binärzahl 111111 ist be-(0 V) nach —IV, so wird ein negatives Potential ao kanntlich die Binärzahl 000001. Die im Register 12 von —0,5 V (bezogen auf die Eingangsklemme 5) an gespeicherten sieben binären Einsen bedeuten also, den Addierpunkt 7 angelegt; schaltet man den Um- daß an der Eingangsklemme 5 ein analoges Eingangsschalter WS von links nach rechts, also von Masse signal anliegt, das eine negative Polarität aufweist (0 V) nach — 1 V, so wird an den Addierpunkt 7 ein und dessen Amplitude dem Betrag nach praktisch negatives Potential von —0,25 V angelegt. Wenn alle 25 gleich 1 · 2~⁶ ist; mit anderen Worten, es handelt sich Umschalter Wl bis W 6 nach rechts geschaltet sind, um das kleinstmögliche negative analoge Eingangsd. h. an — 1 V liegen, so wird an den Addierpunkt 7 signal.

insgesamt ein Potential von—0,5-0,25-0,125-0,0625- Die Schrittsequenz zum Betrieb der erfmdungsge-0,3125-0,0156, d.h. approximativ —IV angelegt. mäßen Vorrichtung ist am besten verständlich, wenn Geht man davon aus, daß eine Eingangsspannung 30 auf die F i g. 2 und 3 Bezug genommen wird. Die von +1 V an der Klemme 5 vorliegt und nimmt man F i g. 2 zeigt die Schrittsequenz für die Durchführung ferner an, daß der Schalter 103 des Umschaltkreises einer Umsetzungsoperation einer positiven Eingangs- 10 sich in seiner rechten Stellung befindet, d. h. an spannung, während F i g. 3 in entsprechender Weise Masse liegt, so daß am Eingang 92 des Vergleichers 9 die Schrittsequenz für eine negative Eingangsspaneine Referenzspannung von 0 V anliegt, so wird der 35 nung zeigt. Ganz allgemein spielt sich der Operations-Vergleicher 9 auf Grund der Tatsache, daß die Ein- ablauf wie folgt ab: Zu Beginn werden alle Positionen gangsleitung 91 positiver ist als die Eingangsleitung des Registers 12 auf »0« gestellt, was zur Folge hat, 92, auf der Leitung 93 ein Ausgangssignal liefern, daß alle Schalter 16 sich in ihrer linken Schaltersteldas in sukzessiven Schritten über die Sequenzsteue- lung befinden, d. h. mit Masse (Potential 0 V) verrung 8 und das digitale Register 12 eine Umschaltung 40 bunden sind. In gleicher Weise ist bei Operationsaller Schalter Wl bis W 6 nach rechts herbeiführt, beginn auch der Schalter 103 des Umschaltkreises 10 d. h., es wird auf der Ausgangsleitung 93 so lange mit Masse verbunden, d. h., er befindet sich in seiner das genannte Ausgangssignal auftreten, bis alle Um- rechten Schaltstellung. Sowohl das Digital-Analogschalter 16 (Wl bis W 6) mit dem Potential —IV Umsetzernetzwerk 6 als auch der Umschaltstromkreis der Präzisionsenergiequelle verbunden sind. Daraus 45 10 erzeugen also Referenzspannungen von 0 V.
ist zu ersehen, daß irgendwelche Eingangsspannun- Die Analog-Digital-Umsetzung spielt sich in sieben gen an der Klemme 5 nicht mehr registrierbar sind, Zyklen ab, die aus den F i g. 2 und 3 ersichtlich sind, wenn sie den Wert von +1 V überschreiten. Zur Während des ersten Umsetzungszyklus wird das VorErläuterung sei eingefügt, daß die im digitalen Re- zeichen des der Eingangsklemme 5 zugeführten anagister 12 höchste registrierbare Binärzahl 0111111 50 logen Eingangssignals bestimmt; während der verist, wobei die erste Stelle »0« das Vorzeichen be- bleibenden sechs Umsetzungszyklen wird die Größe deutet und die anschließenden sechs Binärstellen den der Amplitude des analogen Eingangssignals be-Registerstellen D Ibis D 6 entsprechen. stimmt. Wie bereits oben erläutert wurde, bestimmt Man betrachte jetzt einen anderen Fall und gehe der Vergleicher 9, ob das Analogsignal auf der Leiwieder davon aus, daß alle Schalter 16 (Wl bis W 6) 55 tung 91 positiver ist als das Analogsignal auf der Leian Masse liegen, d. h. sich in der linken Schaltstel- tung 92. Ist das Analogsignal auf der Leitung 91 lung befinden. Wenn man jetzt an die Eingangs- positiver als das Analogsignal auf der Leitung 92, so klemme 5 eine analoge Eingangsspannung anlegt, die wird die Ausgangsleitung 93 des Vergleichers 9 aktinur geringfügig negativ ist, so liegt auch am Eingang viert, d. h., es erscheint auf dieser Leitung 93 ein Aus-91 des Vergleichers 9 ein entsprechendes geringfügig 60 gangssignal.

negatives Potential. Wie man noch sehen wird, nimmt Zunächst wird unter Bezugnahme auf F i g. 2 die

der Schalter 103 beim Vorhandensein einer negati- Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung

ven Eingangsspannung die linke Schaltstellung ein, für die Umsetzung eines positiven analogen Eingangs-

d. h., er liegt am Potential von — 1V der Präzisions- signals von der Größe +0,4112V in eine digitale

energiequelle 11. Betrachtet man den Schalter 103 65 Größe erläutert; daran anschließend wird unter Be-

als Potentialbezugspunkt, so liegt das Potential von zug auf F i g. 3 die Umsetzung eines negativen ana-

— 1 V auch am unteren Eingang 92 des Verglei- logen Eingangssignals in eine digitale Größe beschrie-

chers 9. Unter diesen Bedingungen ist der Eingang ben. Wird an die Eingangsklemme 5 ein positives

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analoges Eingangssignal angelegt, so ist während des nung von —0,5000 V vom Addierpunkt 7 wieder entersten Zyklus die Leitung 91 positiver als die Leitung fernt wird, so daß die Spannung an diesem Punkt 92; infolgedessen erzeugt der nicht invertierende Ver- wieder auf den Wert +0,4112 V zurückkehrt. Durch gleicher 9 ein positives Ausgangssignal auf der Lei- einen Pfeil ist dann angedeutet, daß an den Addiertung 93, und die Vorzeichensteuerungsschaltung 13 5 punkt 7 mit Hilfe des Schalters W 5 eine Spannung tritt hierbei nicht in Aktion. Der Schalter 103 im Um- von —0,2500 V angelegt wird, so daß sich am Ausschaltkreds 10 verbleibt also in seiner rechten Schalt- gang 91 des Addierpunktes eine Spannung von stellung, in der er eine Verbindung mit Masse her- +0,1612V ergibt. In der praktischen Ausführungsstellt. Auch das Vorzeichen in der Stelle S des digi- form der erfmdungsgemäßen Vorrichtung ist jedoch talen Registers 12 bleibt unverändert »0«. (Es sei io dafür Sorge zu tragen, daß zwischen den Approxinochmals darauf hingewiesen, daß alle in der nach- mationszyklen keine vorübergehenden Spitzen auffolgenden Beschreibung angegebenen Spanmmgs- treten. Während des dritten Approximationszyklus werte auf die Eingangsklemme 5 bezogen sind und stellt der Vergleicher 9 fest, daß die Spannung auf daß die tatsächlichen Werte, beispielsweise bezüglich der Eingangsleitung 91 positiver ist als die Spannung des Addierpunktes 7, in Übereinstimmung mit den 15 auf der Eingangsleitung 92; infolgedessen entsteht vorliegenden Widerstandsverhältnissen umgerechnet ein Ausgangssignal auf der Leitung 93. Das Auftreten werden müssen. Würde man dies in der Beschreibung dieses Ausgangssignals während des dritten Approxitun, so würde dies zu einer beträchtlichen Kompli- mationszyklus hat zur Folge, daß der Binärwert »1« zierung führen, und die unmittelbare Relation mit in der D 2-Stelle des Registers 12 erhalten bleibt. Am dem analogen Eingangsspannungswert an der ao Ende des dritten Approximationszyklus wird in die Klemme 5 würde verwischt werden bzw. verloren- nächste Stelle D 3 des Registers 12 durch Mitwirkung gehen.) der Sequenzsteuerung 8 eine »1« eingeschrieben. Nach Beendigung des ersten Zyklus bewirkt die Gleichzeitig wird der Schalter W 4 von links nach Sequenzsteuerungsschaltung 8 das Einschreiben einer rechts geschaltet, und es wird an den Addierpunkt 7 »1« in die Dl-Stelle des digitalen Registers 12. Mit 25 eine weitere Spannung von —0,1250 V angelegt, so dem Einschreiben dieser »1« in die Dl-Stelle des daß jetzt insgesamt die durch Addition gewonnene Registers 12 erfolgt gleichzeitig die Umschaltung des Spannung am Ausgang 91 des Addierpunktes dieser Stelle zugeordneten Schalters W 6 aus der lin- +0,0362 V beträgt. Der durchgeführte Vergleich mit ken in die rechte Schaltstellung, d. h. vom Masse- dem Referenzpotential von 0 V auf der Eingangspotential 0 V auf das Potential — 1V der Präzisions- 30 leitung 92 zum Vergleicher 9 führt dazu, daß wähenergiequelle. In dieser Schaltstellung von W 6 erzeugt rend des vierten Approximationszyklus auch wieder das Digital-Analog-Umsetzernetzwerk 6 eine Span- ein Ausgangssignal auf der Leitung 93 erscheint. Es nung von —0,5000 V, die dem Addierpunkt 7 züge- wird also am Ende des vierten Approximationszyklus führt wird. Diese Spannung von —0,5000 V ist in der Binärwert »1« in der £>3-Stelle des Registers 12 Fig. 2 durch einen Pfeil im zweiten Approximations- 35 nicht verändert; gleichzeitig wird ein Binärwert »1« zyklus dargestellt. Beim Addierpunkt 7 werden jetzt in die nächste Stelle D 4 des Registers 12 eingeschriefolgende zwei Spannungen addiert: Die Eingangs- ben; gleichzeitig wird der Schalter W 3 von links nach spannung von +0,4112 V von der Eingangsklemme 5 recht geschaltet. Damit wird dem Addierpunkt 7 eine und die Spannung —0,5000 V vom Digital-Analog- weitere Spannung von —0,0625 V zugeführt, so daß Umsetzernetzwerk 6. Am Ausgang 91 des Addier- 40 die Resultatspannung auf der Leitung 91 jetzt punktes 7 erscheint somit eine Spannung von —0,0263 V beträgt. Während des fünften Approxi-—0,0888 V, die dem Eingang 91 des Vergleichers 9 mationszyklus ergibt sich also, daß die Eingangszugeführt wird. Der Vergleicher 9 vergleicht während leitung 91 negativer ist als die Eingangsleitung 92 des zweiten Approximationszyklus die am oberen zum Vergleicher 9. Infolgedessen erscheint jetzt kein Eingang 91 auftretende Spannung von —0,0888 V 45 Ausgangssignal auf der Leitung 93, so daß am Ende mit der am unteren Eingang 92 vorliegenden Refe- des fünften Approximationszyklus die D4-Stelle im renzspannung von 0 V. Bei diesem Vergleich führt Register 12 wieder auf »0« zurückgestellt und gleichdie obere Eingangsleitung 91 eine negativere Span- zeitig die nächste Stelle D 5 auf den Binärwert »1« nung als die untere Eingangsleitung 92, so daß der eingestellt wird. Dabei wird gleichzeitig der Schalter Vergleicher 9 kein Ausgangssignal auf der Leitung 50 W 3 nach links und der Schalter W 2 nach rechts um-93 erzeugt. Durch die Abwesenheit eines Ausgangs- geschaltet. Durch diese gleichzeitig erfolgende Umsignals auf der Leitung 93 bewirkt die Sequenzsteue- schaltung wird die Spannung von —0,0625 V vom rung 8 eine Zurückstellung der D 1-Stelle im Register Addierpunkt 7 wieder entfernt, jedoch wird dem 12 vom Binärwert »1« auf den Binärwert »0«. Damit Addierpunkt jetzt eine weitere Spannung von wird gleichzeitig der Schalter W 6 aus seiner tempo- 55 —0,0312 V zugeführt. Während des sechsten Approrär eingenommenen rechten Schalterstellung wieder ximationszyklus ist die obere Eingangsleitung 91 mit in seine linke Schalterstellung zurückgeschaltet. +0,0050V positiver als das Referenzpotential von Gleichzeitig wird durch die Sequenzsteuerung 8 in 0 V auf der unteren Eingangsleitung 92. Infolgedessen der D2-SteIIe des digitalen Registers 12 der Binär- wird während des sechsten Approximationszyklus auf wert »0« in den Binärwert »1« verändert; gleichzeitig 60 der Ausgangsleitung 93 ein Ausgangssignal auftreten, erfolgt eine Umschaltung des Schalters W 5 von links Der Binärwert »1« in der £>5-Stelle des Registers 12 nach rechts, d. h. vom Potential 0 V auf das Poten- bleibt somit erhalten. Am Ende des sechsten Approtial — 1V. Die erwähnten Umschaltungen der Schal- ximationszyklus wird schließlich die letzte Stelle D 6 ter W6 und WS erfolgen gleichzeitig. Lediglich zur des digitalen Registers 12 auf den Binärwert »1« umbesseren Übersichtlichkeit in der Darstellung von 65 geschaltet. Gleichzeitig wird der Schalter Wl von F i g. 2 sind zwischen den Zyklen 2 und 3 zwei eng links nach rechts geschaltet, so daß dem Addiernebeneinanderliegende parallele Linien gezeichnet, punkt 7 eine weitere Spannung von —0,0156 V zugevon denen die erste bedeutet, daß die angelegte Span- führt wird. Jetzt liefert der Addierpunkt 7 eine Re-

sultatspannung von —0,0106 V an den oberen Eingang 91 des Vergleichers 9. Da jetzt die Leitung 91 negativer ist als die Leitung 92, erscheint während des siebenten Approximationszyklus kein Ausgangssignal auf der Leitung 93, so daß die D 6-Stelle im Register 12 wieder auf den Binärwert »0« zurückgestellt wird. Damit sind alle Approximationszyklen durchlaufen, und die Analog-Digital-Umsetzung ist im Rahmen der hier vorgesehenen Genauigkeit beendet. Im digitalen Register 12 ist jetzt die Binärzahl 0011010 gespeichert. Wie bereits erwähnt, kennzeichnet in dieser Zahl der linke Stellenwert das Vorzeichen » + «. Im übrigen stellt diese Binärzahl 0011010 im Rahmen der hier vorgesehenen Stellengenauigkeit das binäre Äquivalent zur analogen Eingangsspannung von +0,4112V dar.

Die Analog-Digital-Umsetzung einer negativen analogen Eingangsspannung wird nachfolgend mit Bezug auf F i g. 3 erläutert. Außerdem werden auch die Gründe angegeben, weshalb die im digitalen Register 12 erscheinende Binärzahl das Zweierkomplement zum Absolutwert der Amplitude der negativen Eingangsspannung darstellt. Das in Fig. 3 dargestellte Diagramm gibt die Spannungswerte am Addierpunkt? an, wie sie während der verschiedenen Approximationszyklen bei der Analog-Digital-Umsetzung einer analogen Eingangsspannung von

— 0,5930 V auftreten. Die Umsetzung einer negativen analogen Eingangsspannung spielt sich in derselben Anzahl von Approximationszyklen ab, wie sie auch bei der Umsetzung einer positiven analogen Eingangsspannung auftreten. Da in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein siebenstelliges Register 12 vorgesehen ist, benötigt man bis zum Abschluß der Umsetzung sieben Approximationszyklen. Auch in diesem Fall sind zu Beginn der Operation alle Stellen im digitalen Register 12 auf den Binärwert »0« eingestellt; außerdem ist die Ausgangsstellung des Schalters 103 im Umschaltkreis 10 derart, daß eine Verbindung mit dem Referenzpotential Null (Masse) hergestellt ist, d. h., der Schalter 103 befindet sich in seiner rechten Schaltstellung. Die untere Eingangsleitung 92 zum Vergleicher 9 weist somit das Referenzpotential 0 V auf. Wenn an die Eingangsklemme 5 ein negatives analoges Eingangssignal angelegt wird, so ist während des ersten Approximationszyklus das Signal auf der Leitung 91 negativer als das Referenzpotential auf der Leitung 92. Infolgedessen wird der Vergleicher 9 während des ersten Zyklus kein Ausgangssignal erzeugen. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß während des ersten Zyklus die Vorzeichensteuerung 13, aber noch nicht die Sequenzsteuerung 8 auf das Signal auf der Leitung 93 reagiert. Die Vorzeichensteuerung 13 reagiert auf die Abwesenheit eines Ausgangssignals auf der Leitung 93 während des ersten Zyklus in der Weise, daß die Vorzeichenstelle 5 im digitalen Register 12 auf »1« gestellt wird; außerdem erfolgt eine Umschaltung des Schalters 103 von rechts nach links, d. h., die Verbindung mit Masse wird gelöst, und die Verbindung mit dem Potential von

— 1V der Präzisionsenergiequelle 11 wird hergestellt, so daß von nun an die Leitung 92 zum unteren Eingang des Vergleichers 9 ein Referenzpotential von

— 1V aufweist. Zu Beginn des zweiten Approximationszyklus wird mit Hilfe der Sequenzsteuerung 8 die D 1-Stelle des digitalen Registers 12 auf den Binärwert »1« eingestellt. Gleichzeitig wird durch Umschaltung des Schalters W 6 von links nach rechts dem Addierpunkt 7 eine Spannung von —0,5000 V zugeführt. Im Addierpunkt 7 werden die Spannungen vom Digital-Analog-Umsetzernetzwerk 6 und von der Eingangsklemme 5 addiert; als resultierende Ausgangsspannung auf der Leitung 91 ergibt sich ein Analogsignal von —1,0930 V. Während des zweiten Approximationszyklus wird durch den Vergleicher 9 festgestellt, daß die Leitung 91 negativer ist als die Leitung 92, was dazu führt, daß am Ende des zweiten

ίο Approximationszyklus die Sequenzsteuerung 8 die Z)l-Stelle im Register 12 nach »0« zurückschaltet, während gleichzeitig die D2-Stelle auf den Binärwert »1« eingestellt wird. Die Operationssequenz während der folgenden sechs Approximationszyklen ist in dem Ablauf der einzelnen Schritte identisch der Sequenz, wie sie oben bei der Beschreibung der Analog-Digital-Umsetzung eines positiven analogen Eingangswertes beschrieben wurde. Ein Unterschied ist lediglich der, daß durch die Umschaltung des Schalters 103 im

ao ersten Approximationsschritt die Referenzspannung auf der Eingangsleitung 92 zum Vergleicher 9 für alle sich jetzt abspielenden Approximationszyklen — 1V beträgt, so daß der Vergleicher 9 die Ausgangsleitung 93 immer dann aktiviert, wenn die Ausgangsspannung des Addierpunktes 7 auf der Eingangsleitung 91 zum Vergleicher 9 einen positiveren Spannungswert aufweist als die Referenzspannung von — 1V auf der unteren Eingangsleitung 92 zum Vergleicher 9. Aus dem Diagramm von F i g. 3 ist zu erkennen, daß während des dritten, vierten und sechsten Approximationszyklus die Ausgangsspannung des Addierpunktes 7 positiver ist als die Referenzspannung von — 1 V, so daß während dieser Zyklen die Ausgangsleitung 93 aktiviert wird, was dazu führt, daß die Binärwerte »1« in den Stellen D 2, D 3 und D 5 des digitalen Registers 12 erhalten bleiben. Während des zweiten, fünften und siebenten Approximationszyklus ist die Spannung auf der Leitung 91 negativer als die Referenzspannung von — 1 V auf der Leitung 92. Infolgedessen wird während dieser Approximationszyklen die Ausgangsleitung 93 nicht aktiviert. Das führt dazu, daß in den Stellen Dl, D 4 und D 6 des digitalen Registers 12 eine Zurückstellung auf den Binärwert »0« erfolgt. Nach Beendigung der Analog-Digital-Umsetzung steht im digitalen Register 12 von rechts nach links gelesen die Binärzahl 1011010. Das Zweierkomplement zu dieser Zahl ist bekanntlich die Binärzahl 0100110. Diese zuletztgenannte Zahl repräsentiert die Digitalform zum analogen Spannungswert von 0,5930 V. Die nach Beendigung der Umsetzungsoperation im digitalen Register 12 erscheinende Binärzahl stellt also tatsächlich das Zweierkomplement zu derjenigen Zahl dar, die den Absolutbetrag der Amplitude der analogen Eingangsspannung repräsentiert, natürlich nur im Rahmen der vorgesehenen Genauigkeit.

Wie zu Beginn der Beschreibung bereits kurz erwähnt wurde, trägt die vorliegende Erfindung auch zu einer Steigerung der Genauigkeit, Stabilität und Linearität des Gesamtsystems des Analog-Digital-Umsetzers bei. Die Tatsache, daß die Anwendung der vorliegenden Erfindung zu einer Erhöhung der Linearität zwischen positiven und negativen Eingangswerten beiträgt, ist aus folgendem Beispiel ersichtlich.

Im folgenden soll E das Eingangssignal, A das von dem Digital-Analog-Umsetzer 6 erzeugte zweite Analogsignal und D die dem Binärwert im Register 12 entsprechende Spannung darstellen, so daß z. B.

bei einer Speicherung von 111111 im Register 12 D gleich 1 V ist. Es sollen jeweils die Beträge der Spannungen dargestellt werden ohne Berücksichtigung der jeweiligen Polarität. Da es sich ausschließlich um Spannungen handelt, wird im folgenden auf die Zufügung der Einheit Volt verzichtet. Während bei einem positiven Eingangssignal das Endergebnis der Umsetzung in dem im Register 12 gespeicherten Wert besteht, der dem Spannungswert D entspricht, besteht bei negativem Eingangssignal das Endergebnis aus einem digitalen Wert im Register 12, der bei Berücksichtigung der Vorzeichenstelle S dem Spannungswert l—D entspricht. Es wird im folgenden angenommen, daß die Spannungsquelle 11 um 1% zu negativ ist, d. h. um einen Faktor 1,01 von ihrem Sollwert — 1V abweicht. Das bedeutet, daß an die Stelle der Gleichung^ = D die Gleichung^ = 1,01 -D tritt.

Bei positivem Eingangssignal gilt nach Beendigung des Umsetzungsvorgangs im Rahmen der vorgesehenen Genauigkeit E = A. Drückt man in dieser Glei-

chung A durch D aus, so ergibt sich —ττί«—_s d. h., das in dem digitalen Register 12 angezeigte Endergebnis ist um den Faktor ^-r zu klein.

Bei negativem Eingangssignal addieren sich die Spannungsbeträge des Eingangssignals und des zweiten Analogsignals, und die Summe wird mit der Spannung der Energiequelle 11 verglichen. Nach Beendigung des Umsetzungsvorgangs gilt daher E+A = 1,01. Ersetzt man in dieser Gleichung wieder A durch 1,01 · D, so erhält man

1 — ρ = ε 1,01

Das

im digitalen Register 12 enthaltene Endergebnis ist also auch im Fall eines negativen Eingangssignals um

den Faktor γ^τ zu klein.

Bei eventuellen Spannungsschwankungen der Energiequelle 11 werden sich also bei positiven und negativen Eingangssignalen die digitalen Ergebnisse um einen gemeinsamen Faktor von den wahren Werten unterscheiden, d. h., die Linearität des Systems wird nicht beeinträchtigt.

Ein anderer Vorteil in der Verwendung einer einzigen Präzisionsenergiequelle an Stelle zweier solcher Quellen besteht darin, daß eine Drift der Energiequelle höchstens in eine Richtung möglich ist, während bei Systemen, die zwei verschiedene Präzisionsenergiequellen benutzen, die Drift der einen Quelle in einer Richtung kufen kann, während die Drift der anderen Quelle in die entgegengesetzte Richtung läuft, so daß insgesamt eine Akkumulation der Fehler resultiert. Außerdem wird natürlich die Zuverlässigkeit des Systems erhöht, wenn nur eine Präzisionsenergiequelle verwendet wird anstatt zweier solcher Quellen, da grundsätzlich eine Eliminierung von Komponenten zur Steigerung der Systemzuverlässigkeit beiträgt, wenn nicht andere Faktoren dabei gleichzeitig der erzielten Zuverlässigkeitssteigerung entgegenwirken.

Der erfindungsgemäße Analog-Digital-Umsetzer enthält in der hier beschriebenen Ausführungsform Präzisionsenergiequellen zur Bereitstellung der Referenzspannung sowie ein Spannungs-Widerstandsnetzwerkl5 von leiterförmiger Struktur. Es lassen sich natürlich auch ähnliche Systeme von Analog-Digital-Umsetzern entwerfen, die vom Erfindungsgegenstand Gebrauch machen, jedoch Stromquellen anstatt Spannungsquellen benutzen. In dieser abgewandelten Ausführungsform müssen natürlich der Umschaltkreis 10 und die Umschalter 16 Umschaltungen an konstante Stromquellen vornehmen; die Präzisionsenergiequelle 11 müßte dann natürlich eine Konstantstromquelle sein, und das Widerstandsnetzwerk 15 wäre als leiterförmiges binäres Strom-Widerstandsnetzwerk auszuführen. Die Schaltkreise sind dann gemäß der in den folgenden Publikationen gegebenen technischen Lehre auszuführen: Veröffentlichung von H. Ottesen, »Current Switching in ADC Systems«, IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 7, Nr. 11, April 1965, S. 1098, und H. Ottesen, »Precision Current Source Independent of Supply Voltage«, IBM Technical Dischlosure Bulletin, Bd. 7, Nr. 10, März 1965, S. 874. Aus den gemachten Darlegungen ist anzuerkennen, daß die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit der Bereitstellung zweier oder mehrerer Präzisionsenergiequellen beseitigt. Man muß sich jedoch vor Augen halten, daß dies nicht bedeutet, daß der gesamte Analog-Digital-Umsetzer überhaupt ohne weitere Stromversorgungsquellen auskommt, die man natürlich für verschiedene andere Funktionen im Rahmen der Gesamtschaltung benötigt. Die entscheidende Tatsache ist jedoch, daß irgendwelche andere Stromversorgungsquellen keine Energiequellen von höchster Präzision sein müssen. Bei ihnen kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle handeln zur Lieferung der im Vergleicher 9 und im digitalen Register 12 benötigten Kollektorspannungen für die dort eingebauten Transistoren. Es ist klar, daß solche Spannungs- oder Stromversorgungsquellen durchaus keinen hohen Grad an Genauigkeit und Präzision aufweisen müssen. Es ist also tatsächlich so, daß die vorliegende Erfindung mit einer einzigen Präzisionsenergiequelle auskommt für nur eine echte Referenzspannung von beispielsweise — 1V.

Der Vergleicher 9 zusammen mit dem Umschaltkreis 10 könnte im Prinzip auch als ein Detektor angesprochen werden, der die Anwesenheit bestimmter vorgegebener Spannungen am Addierpunkt 7 festzustellen in der Lage ist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Umsetzung positiver und negativer analoger Eingangswerte in in einem digitalen Register gespeicherte Digitalwerte, bestehend aus einem Schaltglied zur Addition des analogen Eingangswertes und eines mit Hilfe eines Digital-Analog-Umsetzernetzwerkes gewonnenen zweiten Analogwertes, aus einem Vergleicher, der den analogen Ausgangswert des Additionsschaltgliedes mit einem Referenzwert vergleicht, und aus einer Sequenzsteuerungsschaltung, der das Vergleichsresultat zugeführt wird und die in den einzelnen Stufen des das Digital-Analog-Umsetzernetzwerk steuernden digitalen Registers in sukzessiven Schritten Digitalwerte einstellt, die den analogen Eingangswert approximieren, wobei am Vergleicher der Unterschied zwischen dem Additionsschaltgliedausgangswert und dem Referenzwert immer kleiner wird, gekennzeichnet durch einen Umschaltkreis (10), der den Vergleicher (9) zwecks Bildung von je nach Polarität des analogen Eingangswertes verschiedenen Referenzwerten entweder mit Masse (0 V) oder mit

der für das Digital-Analog-Umsetzernetzwerk benutzten Präzisionsenergiequelle (11) verbindet, wobei im zweiten Fall vom digitalen Register (12) das Zweierkomplement des Absolutwertes des analogen Eingangswertes abnehmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorzeichensteuerungsschaltung (13), die auf Grund eines Ausgangssignals des Vergleichers (9) einen Schalter (103) im Umschaltkreis (10) umschaltet, so daß dem Vergleieher (9) ein veränderter Referenzwert zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzeichensteuerungsschaltung (13) gleichzeitig mit der Betätigung des Schalters (103) im Umschaltkreis (10) auch eine Vorzeichenstelle (S) im digitalen Register (12) so einstellt, daß ersichtlich ist, ob am Eingang (5)

des Analog-Digital-Umsetzers ein positiver oder negativer analoger Eingangswert angelegt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzeingang (92) des Vergleichers (9) mit zwei Widerständen (101,102) verbunden ist, von denen der erste Widerstand

(101) direkt mit Masse und der zweite Widerstand

(102) mit dem genannten Schalter (103) verbunden ist, daß der zweite Widerstand (102) den doppelten Wert (2R) des ersten Widerstandes (101) aufweist, daß beide Widerstände (101,102) parallel geschaltet sind, wenn der Schalter (103) die Verbindung mit dem Referenzwert von neutraler Polarität herstellt, und daß der zweite Widerstand (102) in der anderen Schaltstellung des Schalters (103) mit dem Referenzwert der von Null verschiedenen Polarität (—1 V) verbunden ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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