DE1275115B - Analog-Digital-Umsetzer nach dem Gleichgewichtsprinzip - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/12

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 75 115.4-31 (J31351)

19. Juli 1966

14. August 1968

Die Erfindung betrifft Analog-Digital-Umsetzer und ist anwendbar in Codern, die in PCM-Systemen verwendet werden.

Viele Analog-Digital-Umsetzer enthalten ein oder mehrere bistabile Elemente, die das digitale Ausgangssignal erzeugen. Solche bistabilen Elemente sind z. B. Tunneldioden, Magnetspulen mit einer rechteckförmigen Hysteresisschleife oder Multivibratorkreise.

Es ist aus der französischen Patentschrift 1397 643 schon ein Analog-Digital-Umsetzer bekannt, der eine Anzahl von untereinander verbundenen bistabilen Elementen enthält, die jeweils eine unterschiedliche Schaltcharakteristik haben. An diese Elemente wird ein Analogwert zusammen mit einer gedämpften Schwingung angelegt. Abhängig von der Amplitude des Analogwertes werden bestimmte der bistabilen Elemente abwechselnd von einem Zustand in den anderen Zustand während aufeinanderfolgender Zyklen der Schwingung umgeschaltet, bis das System in einem Gleichgewichtszustand zur Ruhe kommt, und der Endzustand jedes bistabilen Elementes stellt dann den entsprechenden Ziffernwert dar. Eine solche Anordnung kann als Equilibriumcoder oder Gleichgewichtscoder bezeichnet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analog-Digital-Umsetzer nach dem Gleichgewichtsprinzip, bei dem eine der Zahl der Codestellen entsprechende Zahl von miteinander verbundenen bistabilen Elementen vorgesehen ist, insbesondere Coder für PCM-Systeme zu schaffen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jedes bistabile Element eine Stromquelle für einen der jeweiligen Wertigkeit des Codeelementes entsprechend abgestuften Strom enthält und einen Schaltkreis, über den die Stromquelle mit einem für alle bistabilen Elemente gemeinsamen Widerstand verbunden werden kann, daß der umzuwertende Analogabtastwert ebenfalls an den gemeinsamen Widerstand angelegt wird, daß die über dem gemeinsamen Widerstand abfallende Spannung parallel an die Steuereingänge der bistabilen Elemente angelegt wird und daß jedes bistabile Element einen einstellbaren Ansprechwert und eine negative Widerstandscharakteristik hat.

Die Erfindung wird nun an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild, das die Arbeitsweise der Codieranordnung erläutert,

Fig. 2A eine schematische Stromlaufzeichnung eines Coders für zwei Ziffern,

Analog-Digital-Umsetzer nach dem
Gleichgewichtsprinzip

Anmelder:

International Standard Electric Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

7000 Stuttgart W, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:

John Clifford Price, Harlow, Essex;

Ryszard Kitajewski, Nazeing, Essex

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 26. Juli 1965 (31805)

Fig.2B verschiedene Wellenformen des Stromkreises nach Fig. 2A,

F i g. 3 eine praktische Ausführungsmöglichkeit für einen Coder für zwei Ziffern,

F i g. 4 eine praktische Ausführungsmöglichkeit für einen Coder mit drei Ziffern und

Fig. 5A und 5B praktische Ausführungsmöglichkeiten für die Steuer- und Codierteile eines Coders für vier Ziffern.

Das Prinzip der Erfindung beruht darauf, daß dann, wenn ein Strom 7_S in den schematischen Kreis nach F i g. 1 hineinfließt, eine Kombination von Bewertungsströmen I₁, Z₂... /„, die den Code darstellen, wieder herausfließen, um das Gleichgewicht herzustellen, d. h., es fließt ein Strom Null durch den Widerstand R.

In F i g. 1 ist der Fall betrachtet, in dem ein Strom 7_S mit fester Amplitude in das Netzwerk hereinfließt und die festen StrömeJ₁, I₂.. .I_n einzeln oder in Kombination aus dem Netzwerk herausfließen, um das Gleichgewicht in dem Netzwerk wiederherzustellen. Der Reststrom in das Netzwerk wird durch eine Spannung V über einem kleinen Widerstand R angegeben. Die drei Ströme J₁,1₂.. .I_n

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werden jeweils durch einen Schalter Sl, S2 ... Sn für die Schwelle und eine der Hysterese entspre-

gesteuert. Jeder dieser Schalter wird durch eine chende elektrische Spannung werden unabhängig für

Funktion von F₀ und V_n gesteuert, wobei V_n eine die beiden bistabilen Kippschaltungen eingestellt,

mit I_n zusammenhängende Spannung ist. Dieses Diese Schaltung wurde dann mit einer einfachen Schalten der Ströme erreicht man am einfachsten 5 negativen Impulsansteuerung geprüft und arbeitete

dadurch, wenn man jeden der Schalter S₁, S₂.. .S_n ohne Einstellung, um entsprechende Wellenformen

als ein Strom schaltendes Transistorpaar auslegt. im mittleren Bereich für jeden Pegel abzugeben.

Ein Coder, der zwei solche Schaltanordnungen Die Schaltung wurde auch mit einer veränderlichen

verwendet, ist in der Fig. 2A dargestellt. Ein posi- Gleichspannungsquelle geprüft, und man fand, daß tiver Signalstrom /_s fließt durch den Widerstand R 7 io sie nach der gewünschten Weise arbeitete,

in eine +4-V-Sammelschiene, die dem Knoten der Die bistabilen Transistorpaare entsprechen denen

F i g. 1 entspricht. Der Widerstand R 7 in F i g. 2 ent- der F i g. 2, und die Konstantströme werden von den

spricht dem Widerstand R in Fig. 1, und die Tran- Transistoren Γ6 und Γ7 abgegeben. Der Transistor

sistoren 2% Γ2 und die Widerstände Rl, R2 und Γ5 stellt einen phasenumkehrenden Verstärker mit R S bilden eine bistabile Anordnung, die den Bewer- 15 dem Verstärkungsfaktor 1 dar, und die experimen-

tungsstrom I₁ zum Widerstand R 7 schaltet. Die Tran- teilen analogen Signale werden über den Transistor

sistoren Γ 3, Γ 4 und die Widerstände R 3 ,R 4 und Γ 8 und das Potentiometer Pl angelegt. Die Arbeits-

R6 bilden eine zweite bistabile Anordnung, die den weise dieses Coders entspricht der der Schaltung

StromI₂ zum WiderstandR7 schalten. Bei einer nach Fig.2.

binären Codieranordnung ist dabei I₂ = 2I₁. Der 20 Für einen praktischen Betrieb genügen die vier Transistor Γ5 und die WiderständeR8,R9 bilden Pegel, die durch die Kreise nach Fig.2 oder 3 ereinen phasenumkehrenden Verstärker mit dem Span- zeugt werden, nicht. Mit jedem zusätzlichen bistabilen nungsverstärkungsgrad 1, der durch die Spannung V₁ Paar, das zu dem Kreis hinzugefügt wird, verbetätigt wird, um eine Spannung V₂ zu erzeugen, die doppelt sich die Codierkapazität. In der Fig. 4 ist an die gemeinsamen Basen Sl, B 3 der zwei bi- 25 nun ein Coder für drei Ziffern dargestellt, mit dem stabilen Transistorpaare angelegt wird. eine Quantisierung und Codierung von acht Pegel-

Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist folgende: werten möglich ist.

Die Spannung V₁ in Fig. 2B wird auf einen willkür- Die Schaltung des Stromes erfolgt durch die Tranlichen Pegel bezogen und die Spannungen V₂, B₂ und sistorpaare Γ10, Γ11; T12, Γ13 und Γ14, T15. B₁ auf einen anderen Pegel. Es soll jetzt ein Ein- 30 Die Bewertungsströme I₁,1₂ und I₃ werden von eingangssignal 4 betrachtet werden, dessen Wert von fachen Widerstandsnetzwerken 2? 10, R12 und i?14 Null aus langsam steigt. Zu Beginn sind die Tran- abgegeben. Dieser dreiziffrige Coder wurde im Versistoren Tl und Γ 3 leitend, da das Potential F₂ such mit von Hand gesteuerten Eingangssignalen größer ist als das von B₂ und S₄, so daß kein Bewer- über den Transistor Γ17 geprüft. Der Transistor T16 tungsstrom aus dem Widerstand R 7 herausfließt. Mit 35 stellt den phasenumkehrenden Verstärker dar. Wenn steigendem Strom /_s steigt die Spannung V₁, und die die Handsteuerung durch eine einfache pulsampli-Spannung V₂ fällt ab, bis sie den Wert B₂ erreicht, tudenmodulierte Steuerung ersetzt wurde, war es das Basispotential des Transistors Γ2. Dann kippt notwendig, die Werte von einigen der Widerstände die bistabile Schaltung für den Strom I₁ um und zu ändern, um eine richtige Codierung bei allen acht erhöht das Potential von B₂, um die bistabile Kipp- 40 Pegeln zu erreichen.

schaltung festzuhalten und einen Strom I₁ am Wider- Ein Coder für sechzehn Pegelwerte ist in den standR7 abzuziehen und damit die Spannung V₁ Fig. 5A und 5B dargestellt. Dabei ist die Fig. 5B gegen Null herunterzuziehen und um in gleicher rechts von Fig. 5A anzuordnen, um eine vollstän-Weise die Spannung V₂ nach oben in Richtung von dige Stromlaufzeichnung darzustellen. Null zu ziehen. 45 Es ist bereits aus der französischen Patentschrift Wenn der Strom /_s weiter ansteigt, steigt auch die 1397 643 bekannt, daß eine gedämpfte Schwingung Spannung V₁ wieder an, und die Spannung V₂ fällt verwendet werden kann, die dem analogen Eingangsab, bis sie die Spannung S₄, das Basispotential des signal überlagert ist. Die Verwendung einer geTransistors 4, erreicht. Dann schaltet die bistabile dämpften Schwingung in einem Gleichgewichtscoder Schaltung für den Strom I₂ um und erhöht das Poten- 50 ist vorteilhaft, da eine Codierung ohne einen hystetial des Transistors T₄, um die bistabile Kippschal- resisähnlichen Wert in einem bistabilen Codiertung zu halten und den Strom I₂ vom Widerstand R₇ element schwierig ist. Eine Verringerung dieses abzuziehen. Dadurch wird die Spannung V₁ wieder hysteresisähnlichen Wertes ist gekoppelt mit einer in negative Richtung gebracht und die Spannung F₂ Verringerung der Stabilität, und zwar nicht nur in zu einem positiveren Wert, bis sie das Potential B₂ 55 dem vorliegenden Fall, wenn alle Codierelemente erreicht, wodurch dann die bistabile Kippschaltung parallel geschaltet sind, sondern auch dann, wenn für I₁ zurückkippt. Der dann erreichte Wert vom sie in Reihe geschaltet sind. Das Codierverfahreri Strom /_s wird ausbalanciert durch die zwei Quanten, mit einer gedämpften Schwingung, das einen hystedie durch das Gewicht von I₂ abgezogen werden, und resisähnlichen Wert benötigt, löst dieses Problem die Spannungen F₁ und F₂ gehen wieder in Rieh- 60 und macht es einfacher, die Bistabilität in den EIetung auf den Wert Null. Bei einem weiteren Anstei- menten zu erreichen, auch wenn diese nur geringen gen von /_s steigt die Spannung F₁ wieder an, und die Werten entsprechen.

Spannung F₂ fällt ab, bis sie den Wert B₂ erreicht. Weiterhin ermöglicht die Verwendung einer ge-

Dann wird wieder die bistabile Kippschaltung für dämpften Schwingung ein zeitliches Festlegen der

den Wert I₁ eingeschaltet, und man erhält den Code 65 Einstellung der Codeelemente in ihren endgültigen

für den höchsten Pegel. Die Schaltung einer Ver- Lagen.

Suchsanordnung für ein System mit zwei Ziffern ist Wenn eine gedämpfte Schwingung angelegt wird,

in der Fig. 3 dargestellt. Die gewünschten Werte ist ihre ursprüngliche Amplitude ausreichend, um

alle Codierelemente zu schalten. Da die Amplitude dann geringer wird, kann sie zuerst das Element der höchstwertigen Stelle nicht mehr umschalten, danach kann auch das Element der Stelle mit dem zweithöchsten Wert nicht mehr umgeschaltet werden, usw. Das Element der Stelle mit dem geringsten Wert wird als letztes bestimmt. Jedes Codierelement verbleibt in einem stabilen Zustand, der durch den Wert des Eingangssignales bestimmt ist. Die gedämpfte Schwingung hat einen optimalen Wert der Verschiebung

sin ω t

dabei ist ρ die Zahl der Perioden der gedämpften Schwingung vom Beginn der Codierperiode und t die Gesamtzeit, wie es noch ausführlicher in der obengenannten französischen Patentschrift bzw. in der entsprechenden britischen Patentschrift 1 046 792 beschrieben ist. Wenn eine solche Wellenform verwendet wird, stellen sich die Codierelemente in der vorgeschriebenen Ordnung (höchstwertige Ziffer zuerst) ein, und zwar bei jeder Periode der gedämpften Schwingung eine Ziffer. Es ist so möglich, die Endbedingungen der Codierelemente nacheinander zu bestimmen und ein Serienausgangssignal zu erzeugen, obwohl die Codierelemente parallel geschaltet sind. Die höchstwertige Ziffer stellt sich zuerst ein und bleibt ungeändert, während sich die übrigen Ziffern einstellen.

Es ist deshalb möglich, den Zustand der höchstwertigen Ziffer abzufragen, bevor sich die nächste Ziffer eingestellt hat. In gleicher Weise ist es möglich, den Zustand der zweithöchsten Ziffer abzufragen, bevor sich die dritte Ziffer eingestellt hat, usw.

In dem in Fig. 5A dargestellten Steuerkreis ist der Transistor Γ18 durch einen Taktimpuls P_t gesteuert und stößt jeweils das abgestimmte Netzwerk Ll, Cl in seinem Kollektorkreis an. Der Transistor T19 ist ein Gleichstromverstärker, und der Transistor Γ 20 stellt eine Quelle mit einem hohen Widerstand für die gedämpften Schwingungen dar, mit der die Emitter der aus den Transistoren Γ 21 und Γ 22 gebildeten Torschaltungen gespeist werden. Für Prüfzwecke ist das Eingangssignal an der Basis des Transistors Γ 23 ein von Hand einstellbares Gleichstromsignal, das von dem Potentiometer P 2 abgegeben wird. Für den praktischen Betrieb wird das Potentiometer P 2 mit der Quelle verbunden, die das zu codierende Analogsignal abgibt. Das abgetastete und quantisierte Signal wird zusammen mit der überlagerten Schwingung vom Kollektor des Transistors Γ 21 an den Transistor Γ 24 angelegt, der eine Ansteuerung mit hohem Widerstand für den in F i g. 5 B dargestellten Coderteil bildet, und zwar über die Verbindung A. Der Transistor Γ 25 bildet den phasenumkehrenden Verstärker für den Coderteil in Fig. 5B.

Der in F i g. 5 B dargestellte Coderteil besteht im wesentlichen aus den vier bistabilen Paaren von Transistoren Γ26, Γ27; Γ28, Γ29; Γ30, Γ31 und Γ 32, T 33, die parallel an die das Eingangssignal führende Leitung A angeschaltet sind. Die Konstant-Stromquellen für jedes dieser bistabilen Paare werden durch einfache Widerstandsnetzwerke gebildet, die bei Bedarf von Hand verstellbare Widerstände enthalten können, um die Stromwerte so einzustellen, daß die besten Ergebnisse erreicht werden. Um eine gute Bistabilität bei der Ziffer mit dem geringsten Wert zu erreichen, ist eine kleine Induktivität L 2 in den Kollektorkreis dieser Stufe eingesetzt, die eine verstärkte Rückkopplung in dieser Stufe bewirkt.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung entspricht vollkommen der nach F i g. 2 mit der Ausnahme, daß sie jetzt auf sechzehn Pegel auswertet an Stelle von vier Pegeln wie in Fig. 2. Bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Anordnung nach Fi g. 2 war jedoch nur ein einziger angelegter Amplitudenabtastwert, der an die Codierelemente angelegt wird, betrachtet. Die Frage, ob ein bistabiles Element eingeschaltet ist oder nicht, hängt von einer Spannungs- oder Stromschwelle ab. Wenn zusätzlich zu dieser Schwelle eine Zeitsteuerung vorhanden ist, ist der Kreis nicht mehr nur von der Spannung oder dem Strom abhängig, und man hat eine größere Freiheit in der Wahl der Schwelle. Dadurch bekommt man verbesserte Toleranzen, und man kann eine Linearität erreichen. Eine praktische Form für eine Zeitsteuerung, die in all den obengenannten Kreisen verwendet werden kann, ist die gedämpfte Schwingung, die bereits aus der französischen Patentschrift 1 397 643 bekannt ist. Diese Zeitsteuerung wird in die Anordnung nach Fig. 5A aufgenommen, wie schon vorher erwähnt, und der Eingang in den Codierteil ist so eine Kombination von einem analogen Amplitudenabtastwert und einer überlagerten gedämpften Schwingung.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Umsetzer nach dem Gleichgewichtsprinzip, bei dem eine der Zahl der Codestellen entsprechende Zahl von miteinander verbundenen bistabilen Elementen vorgesehen ist, insbesondere Coder für PCM-Systeme, dadurch gekennzeichnet, daß jedes bistabile Element eine Stromquelle (I₁) für einen der jeweiligen Wertigkeit des Codeelementes entsprechend abgestuften Strom enthält und einen Schaltkreis (Tl, T2), über den die Stromquelle mit einem für alle bistabilen Elemente gemeinsamen Widerstand (Rl) verbunden werden kann, daß der umzuwertende Analogabtastwert (/_s) ebenfalls an den gemeinsamen Widerstand angelegt wird, daß die über dem gemeinsamen Widerstand (Rl) abfallende Spannung parallel an die Steuereingänge der bistabilen Elemente angelegt wird und daß jedes bistabile Element einen einstellbaren Ansprechwert und eine negative Widerstandscharakteristik hat.

2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreise (Tl, Tl; Γ3, Γ4 usw.) zwei Transistoren enthalten, bei denen im Kollektorkreis des einen Transistors der allen bistabilen Elementen gemeinsame Widerstand (R 7) liegt, und daß der Analogabtastwert, bei Bedarf unter Zwischenschaltung einer Trennstufe, mit den Kollektoren dieser Transistoren (T 2, T 4) verbunden ist.

3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines der Transistoren (T 2) an einem Spannungsteiler mit einer konstanten Vorspannungsquelle liegt und die Basis des anderen Transistors (UTl) mit der

Spannung über dem gemeinsamen Widerstand (R 7) über eine Phasenumkehrstufe (TS) verbunden ist.

4. Analog-Digital-Umsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abtastwert zugleich mit einer

überlagerten gedämpften Schwingung von fester Anfangsamplitude und einer vorgegebenen Dämpfung angelegt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1397 643.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809 590/397 S. 68 © Bundesdruckerei Berlin