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Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer, bei dem ein
analoges Eingangssignal mit einem Sägezahnsignal verglichen wird und Taktimpulse,
welche vom Beginn des Vergleichs bis zum Zeitpunkt der Gleichheit beider Signale
aufgetreten sind, ausgezählt werden.
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Bei bekannten derartigen Umsetzern hängt die Genauigkeit des digitalenAusgangssignals
einmal von der Genauigkeit der Steigung des Sägezahnsignals ab, mit welchem das
analoge Eingangssignal verglichen wird, andererseits hängt sie von der Konstanz
der Taktimpulse ab, welche während dieses Vergleichs ausgezählt werden. Ändert sich
infolge von Temperaturschwankungen oder anderen Einwirkungen die Steigung des Sägezahnsignals
oder die Frequenz der Taktimpulse, so weicht das Digitalsignal, welches dem Analogwert
des Eingangssignals entsprechen soll, vom richtigen Wert ab.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung dieses Nachteils,
und zwar ohne aufwendige Stabilisierungsmaßnahmen für das Sägezahnsignal oder die
Taktimpulse. Vielmehr besteht der Gedanke der Erfindung darin, die Steigung des
Sägezahnsignals von den Taktimpulsen abhängig zu machen, d. h. bei Veränderungen
der Taktimpulsfrequenz die Steigung der Sägezahnsignale derart nachzuregeln, daß
ein bestimmter fester Zusammenhang zwischen der Sägezahnsteigung und der Taktimpulsfrequenz
aufrechterhalten wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Analog-Digital-Umsetzer
mit einer Rückkopplungsschaltung versehen wird, welche das Sägezahnsignal zu einem
aus den Taktimpulsen abgeleiteten Soll-Zeitpunkt mit einem Bezugssignal vergleicht
und bei Abweichungen ein Korrektursignal zur Nachregelung der Sägezahnsteigung für
die nächste Abtastperiode an den Sägezahngenerator liefert. Wird während einer Abtast-
oder Sägezahnperiode eine Abweichung zwischen dem gewünschten Zusammenhang der Sägezahnsteigung
und der Taktimpulsfrequenz festgestellt, so sorgt die aus dieser Abweichung resultierende
Korrekturspannung dafür, daß der Sägezahngenerator in der nächsten Sägezahnperiode
einen Sägezahn mit der für die betreffende Taktimpulsfrequenz richtigen Steigung
liefert. Hierdurch wird erreicht, daß der Abstand zwischen zwei Taktimpulsen immer
der gleichen Anzahl von Bezugsspannungseinheiten entspricht, so daß auch bei Abweichungen
der Taktimpulsfrequenz infolge der darauf korrigierten Sägezahnsteigung der Analogwert
des Eingangssignals immer in den gleichen Digitalwert des Ausgangssignals umgewandelt
wird.
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Eine bevorzugte schaltungsmäßige Realisierung der Erfindung besteht
darin, daß die die Bezugsspannung liefernde Bezugsspannungsquelle mit je einem Eingang
einer ersten und einer zweiten Summierschaltung verbunden ist, deren erste mit ihrem
Ausgang an den Korrekturspannungseingang des Sägezahngenerators geschaltet ist,
daß der Ausgang des Sägezahngenerators außer mit dem Analogsignalvergleicher, welcher
bei Gleichheit seiner Eingangssignale ein Zählerstandübernahmesignal liefert, mit
einem an einer zweiten Bezugsspannung liegenden zweiten Bezugsspannungsvergleicher,
welcher bei Gleichheit seiner Eingangssignale ein Startsignal für den Zähler liefert,
und mit dem zweiten Eingang der zweiten Summierschaltung verbunden ist, deren Ausgang
an einem Eingang einer Gatterschaltung liegt, daß der andere Eingang der Gatterschaltung
mit dem Ausgang einer Abtastschaltung verbunden ist, welche nachAuftreten einer
vorbestimmten Anzahl von Taktimpulsen einen Ausgangsimpuls abgibt, und daß der Ausgang
der Gatterschaltung mit dem Eingang eines Integrators verbunden ist, der die Korrekturspannung
an den zweiten Eingang der ersten Summierschaltung liefert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden an Hand der
Darstellungen im einzelnen erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Blockschaltung des
erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzers und F i g. 2 typische Signalformen an
einzelnen Punkten des in F i g. 1 dargestellten Umsetzers.
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Der in F i g.1 dargestellte Analog-Digital-Umsetzer, der eine Ausführungsform
der Erfindung darstellt, hat einen Eingangssignalanschluß 1, der an eine Analogsignalquelle
anschließbar ist, deren Signal umgewandelt werden soll. Der Anschluß 1 ist an einen
Eingang eines Signalvergleichers 2 angeschlossen, der durch irgendeine Anordnung
realisiert werden kann, welche zwei Eingangssignale miteinander vergleicht und bei
Gleichheit der Eingangssignale ein Ausgangssignal abgibt. Der andere Eingang des
Vergleichers 2 ist mit einer im einzelnen später beschriebenen Bezugssignalschaltung
verbunden. Das Ausgangssignal dieses ersten Vergleichers 2 wird einem Ausgangsspeicher
3 zugeführt, der die Übertragung der ihm zugeführten Digitalinformation entsprechend
dem codierten Digitalwert des Eingangsanalogsignals steuert.
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Eine Bezugssignalquelle 5 dient der Erzeugung eines vorbestimmten
Bezugssignals, das als erstes Eingangssignal einem Paar Summierungsschaltungen 6
und 7 zugeführt wird, die ihre Eingangssignale algebraisch addieren. Das Ausgangssignal
der ersten Summierungsschaltung stellt die algebraische Summe aus dem ersten Eingangssignal
und einem von einem Integrator 8 stammenden Eingangssignal dar. Dieses Ausgangssignal
wird dem Sägezahngenerator 9 zugeführt, der ein periodisches Sägezahnsignal erzeugt,
dessen Steigung der Amplitude des durch die Summierungsschaltung 6 zugeführtenEingangssignals
entspricht. Dieses Sägezahnsignal dient als zweites Eingangssignal für den ersten
Vergleicher 2, als erstes Eingangssignal für einen zweiten Vergleicher
10, der dem ersten Vergleicher 2 entspricht, und schließlich wird es der
zweiten Summierschaltung 7 zugeführt. Das zweite, dem zweiten Vergleicher 10 zugeführte
Eingangssignal stellt einen Bezugspegel dar, der beispielsweise durch eine Masseverbindung
gegeben ist, wie F i g. 1 zeigt. Das Ausgangssignal des zweiten Vergleichers 10
wird zur Steuerung der Zeit, bei der ein Zähler 11 die von einem Taktgenerator 12
kommenden Eingangsimpulse einer bestimmten Frequenz zu zählen beginnt, einem geeigneten
Zähler 11 zugeführt.
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Eine Abtastschaltung 13 greift eine vorbestimmte Gruppe der Zählimpulse
vom Ausgang des Zählers 11 ab, dessen Ausgangsspannung auch dem Ausgangsspeicher
3 zugeführt wird. Die ausgewählten Zählersignale betätigen ein Gatter 14, das die
Ausgangssignale der zweiten Summierschaltung 7 als Eingangssignale an den Integrator
8 weitergibt.
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Im Betrieb setzt die Schaltung die Amplitude eines am Eingangsanschluß
1 liegenden Analogeingangssignals in ein Zeitintervall um, das durch eine Zählung
der vom Taktgenerator 12 kommenden Taktimpulse
im Zähler 1.1 dargestellt
wird. Wenn das Sägezahnsignal des Generators 9 durch Null geht, bewirkt es, daß
vom zweiten Vergleicher 10 ein Startausgangssignal abgegeben wird, da der zweite
Eingang des Vergleichers auf dem Pegel Null liegt. Dieses Startsignal wird dem Zähler
11 zugeführt, der daraufhin die Taktimpulse zu zählen beginnt. Gleichzeitig vergleicht
der erste Vergleicher 2 das Analogeingangssignal mit dem Sägezahnsignal des Generators
9. Stellt der Vergleicher 2 die Gleichheit beider Signale fest, so wird ein Steuersignal
auf den Ausgangsspeicher 3 gegeben, das eine augenblickliche Übertragung des Zählerstandes
des Zählers 11 in den Speicher 3 bewirkt.
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Bekannte Umsetzer, bei denen eine ansteigende Spannung zum Vergleich
herangezogen wird, bringen die Steigung dieser Spannung nicht in Zusammenhang mit
der Taktfrequenz. Daher treten bei ihnen im Falle von Änderungen der Steigung auf
Grund von Instabilitäten der Bauelemente Ungenauigkeiten bei der Umwandlung auf,
da die einzelnen Taktimpulse nicht einer gleichen Anzahl von Amplitudeneinheiten
der ansteigenden Spannung entsprechen. Bei dem erfindungsgemäßen Umsetzer ist dagegen
ein konstantes Verhältnis der Amplitudeneinheiten pro Taktimpuls, beispielsweise
Minivolt pro Impuls, gegeben. Die Steigung des vom Generator 9 erzeugten
Sägezahnes wird durch die Amplitude des ihm zugeführten Eingangssignals gesteuert.
Dieses Eingangssignal wird aus der algebraischen Summe des Bezugssignals aus der
Quelle 5 und des Ausgangssignals aus dem Integrator 8 gebildet. Diese Signale haben
entgegengesetzte Polarität, so daß amAusgang der ersten Summierschaltung 6 ein Differenzsignal
entsteht.
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Das Ausgangssignal des Integrators 8 wird wiederum durch ein Ausgangssignal
der zweiten Summierschaltung 7 gesteuert. Die Eingangssignale für diese Summierschaltung,
d. h. die Ausgangssignale des Generators 9 und der Quelle 5, haben ebenfalls entgegengesetzte
Polarität, so daß das Ausgangssignal der zweiten Summierschaltung 7 ein Differenzsignal
ist. Dieses Differenzsignal wird durch das Gatter 14
auf den Eingang des Integrators
8 gegeben, der es integriert. Das Gatter wird am Ende des Sägezahnanstiegs
durch Auswahl einer Gruppe von Taktimpulsen betätigt, die zu der gewünschten Zeit
das Gatter 14 steuern. Insbesondere sind die ausgewählten Impulse so vorgesehen,
daß sie zwischen n- d und n-f- A ein Schalten bewirken, wobei n die
Zeit ist, zu der der Sägezahn gleich dem aus der Quelle 5 stammenden Bezugssignal
sein soll. Bei einer Gatteransteuerung zu diesem Zeitpunkt wird das Differenzsignal
von der zweiten Summierungsschaltung 7 auf den Integrator 8 gegeben. Da die beiden
Eingangssignale für die zweite Summierschaltung 7 entgegengesetzte Polarität haben,
hat das Differenzsignal nur dann gleiche positive und negative Pegel, wenn das Bezugssignal
zu der gewählten Zeit n gleich dem Sägezahnsignal ist. Anderenfalls wird dem Integrator
8 ein zu großes positives oder negatives Signal zugeführt, so daß das Ausgangssignal
des Integrators nach dem Integrieren ein positives oder negatives Restsignal enthält.
Dieser Rest wird zur Veränderung des dem Sägezahngenerators 9 zugeführten Bezugssignals
verwendet, so daß die Sägezahnsteigung für die nächste Sägezahnperiode geändert
wird.
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Bei einer Taktfrequenz von P Impulsen pro Sekunde ist die für einen
Vergleich benötigte Zeit
Bei einer Sägezahnsteigung von K ist die bis zum Erreichen der Spannung R verstrichene
Zeit
Das erfindungsgemäße System stabilisiert sich in einem Betriebspunkt, bei dem die
Korrekturspannung F sich von einer Sägezahnperiode zur nächsten nicht mehr verändert.
Dieser Punkt tritt ein, wenn der Sägezahn eine Steigung hat, die eine Spannung ergibt,
welche gleich der Bezugsspannung zur Zeit, bei der n Impulse aufgetreten sind, ist:
Da n eine feste Anzahl von Impulsen und R eine konstante Bezugsspannung ist
eicht sich das System selbst für
Die in F i g. 2 dargestellten Impulsformen treten an den in F i g. 1 entsprechend
bezeichneten Punkten auf, wenn die Steigung des Sägezahnes zu groß ist und die Bezugsspannung
zu schnell erreicht wird. Das Sägezahnsignal T liegt am Ausgang des Generators 9.
Der Eingangspegel A veranschaulicht einen Punkt auf der Sägezahnsteigung, bei der
das Sägezahnsignal gleich dem Eingangssignal ist. Die Gleichheit des Signals vom
Pegel R aus der Bezugsspannungsquelle 5 mit dem Sägezahnsignal T tritt dicht am
Ende der Sägezahnperiode während der mit n bezeichneten Zeit auf, und die Einstellung
der Sägezahnsteigerung erfolgt, ohne daß eine Störung des vorausgehenden Eingangssignalvergleichs
eintritt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 10 ist mit Z bezeichnet und
beginnt und endet bei den Null-Durchgängen des Sägezahnsignals T. Dieses Signal
wird dem Zähler 11 zur Steuerung des Zählvorgangs und zur Rückstellung des
Zählers 10 zugeführt.
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Das Ausgangssignal X des Vergleichers 2 beginnt zu dem Zeitpunkt,
an dem das Sägezahnsignal T und das Eingangssignal A gleich sind, und es bewirkt
eine Übertragung vom Zähler 11 in den Speicher 3. Dieses Signal kehrt zu einem beliebigen
Zeitpunkt nach dem Auftreten des Maximalwertes des Sägezahnsignals T in seinen Anfangszustand
zurück. Das Signal S stellt in vereinfachter Form einen ausgewählten Impuls aus
den Zählerausgangssignalen dar. Es öffnet die Gatterschaltung 14, so daß
das Differenzsignal von der Summierungsschaltung 7 dem Integrator 8 zugeführt wird.
Das getastete Signal D ist in F i g. 2 als unsymmetrisches Signal dargestellt, das
eine nicht richtige Steigung der Spannung des Generators 9 bedeutet.
Bei
einer richtigen Steigung wären die von der Kurve beiderseits der Zeitachse eingeschlossenen
Flächen zu der Zeit, bei der das Bezugssignal R gleich dem Sägezahnsignal T ist,
gleich. Insbesondere zeigen diese Wellenformen hier eine zu große Steigung des Sägezahnsignals
T an. Das Ausgangssignal F des Integrators 8 wird dadurch so verändert, daß es unsymmetrisch
ist, indem es zu stark positiv ist, der zur Veränderung der Wirkung des Bezugssignals
R durch die Wirkung der Summierschaltung 6 verwendet wird.