DE1292178B - Analog-Digital-Umsetzer mit einem Impulsgenerator - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Um- die Zählrichtung des als umkehrbarer Zähler aussetzer mit einem Impulsgenerator, dessen Ausgangs- gebildeten Impulszählers bestimmt, impulse in einem Impulszähler zur Erzeugung der Dies hat zur Folge, daß große Zählabschnitte, die

digitalen Signale gezählt werden, und mit einer von sich aus großen Differenzen zwischen dem analogen dem Impulszähler beaufschlagten Rückkopplungs- 5 Eingangssignal und der jeweiligen Zählerstellung erschleife zur Steuerung der Frequenz des Frequenz- geben, schneller überwunden werden können. Daraus generators in nichtlinearer Abhängigkeit nach Maß- resultiert eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit des gäbe der Impulszählerstellung. Analog-Digital-Umsetzers nach der Erfindung oder

Es ist ein Digital-Umsetzer dieser Art vorgeschla- die Möglichkeit, größere Amplitudenschwankungen gen (deutsche Auslegeschrift 1 233 434), bei dem die io in dem eingespeisten Analogsignal verarbeiten zu Zählung immer nur eine ganz bestimmte Zeitspanne können.

erfolgt und die sich dabei in dieser Zeitspanne er- Es hat sich gezeigt, daß dabei eine logarithmische

gebende Zählerstellung für das Rückkopplungssignal Beziehung als nichtlineare Beziehung sehr vorteilhaft maßgebend ist. Diese besondere Ausgestaltung soll im Hinblick auf eine kurze Ansprechzeit ist und sich nach dem älteren Vorschlag dazu dienen, das nicht- 15 schaltungstechnisch auch sehr einfach verwirklichen lineare Verhalten eines Meßumformers, dessen läßt, wie dies weiter unten noch an Hand der Zeichanaloge Ausgangsspannung analogdigital umgesetzt nungen im einzelnen erläutert wird, wird, zu kompensieren. Man kann die Nichtlinearität in die Rückkopp-

Bei einem aus der USA.-Patentschrift 3 127 601 lungsschleife verlegen, man kann sie aber auch in den bekannten Digital-Umsetzer wird die Impulsfolge- 20 Frequenzgenerator verlegen, und schließlich kann frequenz am Ausgang des Impulsgenerators in linea- man sie teilweise in die Rückkopplungsschleife und rem Maß aus der Differenz zwischen dem einge- teilweise in den Frequenzgenerator verlegen, speisten Analogsignal und dem jeweiligen Zähler- Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung

stand des Impulszählers abgeleitet. in Verbindung mit dem eingangs erwähnten Analog-

Hierbei handelt es sich natürlich im streng mathe- as Digital-Analog-Umsetzers nach der Erfindung, matischen Sinn nicht um eine Differenz, sondern um F i g. 1 im Blockschaltbild die Grundzüge eines

eine Differenz, die sich erst nach entsprechender Zu- Digital-Analog-Umsetzer nach der Erfindung, Ordnung ergibt, und zwar in der Weise, daß jedem F i g. 2 in der Darstellung entsprechend F i g. 1 ein

Zählerstand eine ganz bestimmte Spannung — be- erstes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, zogen auf das eingespeiste Analogsignal — zugeord- 30 Fig. 3 in der Darstellung entsprechend Fig. 1 ein net ist, und die tatsächliche Differenz, die Differenz zweites Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, zwischen Analogspannung und dieser zugeordneten Fig. 4 die Schaltung des Ausführungsbeispiels

Spannung ist. In diesem Sinne wird der Ausdruck nach F i g. 2 im Detail,

»Differenz« auch im folgenden an einigen Stellen Fig. 5 die Schaltung des Ausführungsbeispiels

verwendet. 35 nach F i g. 3 im Detail,

Bei dem bekannten Analog-Digital-Umsetzer ist Fig. 6 bis 9 Diagramme zur Erläuterung der Wir-

diese Differenzspannung maßgebend für die Erzeu- kungsweise der Schaltungen nach Fig. 1 bis 5 und gung der Ausgangsimpulse an dem Impulsgeber, und Fig. 10 Tabellen zur Erläuterung der Wirkungs-

zwar werden, wenn die Differenz Null ist, keine Aus- weise der Schaltungen nach F i g. 1 bis 5. gangsimpulse erzeugt. Dann steht aber auch der 40 Fig. 1 zeigt einen Analog-Digital-Umsetzer, in Zähler in einer Stellung, die dem eingespeisten dem am Eingangsanschluß 12 analoge Eingangs-Analogsignal entspricht. Diese Stellung wird bei je- signale E₁ eingespeist werden, die an einen Eingang der Abweichung angestrebt. Ein Maß für die Ab- eines Differentialverstärkers 14 gelangen. Das Ausweichung ist die erwähnte Differenz. Ist die Differenz gangssignal des Verstärkers 14 gelangt an einen spangroß, dann wird eine hohe Impulsfolgefrequenz er- 45 nungsgesteuerten Frequenzgenerator 18, dessen Auszeugt, und der Zähler verändert seine Zählung. Ist gangsfrequenz / von der Eingangsspannung abhängt, die Differenz klein, dann wird eine niedrige Impuls- sowie an einen Polaritätsdetektor 16. Am Ausgang folgefrequenz erzeugt, und der Zähler zählt lang- des Frequenzgenerators 18 liegt eine Impulsfolge vor, samer. Bei dem bekannten Analog-Digital-Umsetzer deren Impulsfolgefrequenz/ von der Amplitude des besteht zwischen dem Zählerstand und der Frequenz 50 am Ausgang des Verstärkers 14 vorliegenden Fehlerder Impulse am Ausgang des Frequenzgenerators signals E_e abhängt. Diese Impulse gelangen an einen eine lineare Beziehung, die verhältnismäßig hohe An- umkehrbaren Zähler 20, den sie in seiner Stufe niedsprechzeiten dieses bekannten Analog-Digital-Um- rigster Ordnung jeweils um einen Schritt weiterschalsetzers zur Folge hat. ten. Wenn das Fehlersignal E_e am Ausgang des VerAufgabe der Erfindung ist es, einen Analog- 55 stärkers 14 positiv ist, dann liegt am Ausgang des Digital-Umsetzer der eingangs genannten Art so aus- Polaritätsdetektors 16 ein Zuzählungssignal auf der zugestalten, daß mit einfachen Mitteln eine höhere Leitung 24 vor. Wenn dieses Zuzählungssignal vor-Ansprechgeschwindigkeit erzielt werden kann. liegt, dann zählt der Zähler die Impulse am Ausgang

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß des Frequenzgenerators 18 in positiver Richtung, eingangsseitig ein Differentialverstärker vorgesehen 60 Wenn das Fehlersignal am Eingang des Polaritätsist, in den die Analogsignale und die Rückkopplungs- detektors 16 negativ ist, liegt ein Abzählungssignal signale der Rückkopplungsschleife eingespeist und auf der Leitung 26 vor, auf Grund dessen der Zähler voneinander subtrahiert werden und dessen Aus- die Impulse am Ausgang des Frequenzgenerators 18 gangssignal in nichtlinearer Abhängigkeit die Fre- abwärts zählt. Der jeweilige digitale Wert der Zähquenz des Frequenzgenerators bestimmt, derart, daß 65 lung in dem Zähler 20 ist mit M bezeichnet Entgroßen Differenzen zwischen Zählerstand und ein- sprechend diesem digitalen Wert M sind Ausgangsgespeistem Analogsignal kleine Frequenzdifferenzen leitungen 28 beaufschlagt. Außerdem ist mit 30 ein entsprechen, und umgekehrt, und dessen Vorzeichen Ausgangskabel bezeichnet, auf dem der gleiche Wert

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liegt und an nicht dargestellte Verarbeitungsvorrich- dieser bekannten Vorrichtung vorgesehene bekannte

tungen geleitet wird. Der digitale Ausgang auf den Frequenzgenerator eine lineare Umsetzungsfunktion

Leitungen 28 wird in einen Rückkopplungsgenerator hat, gilt auch, daß AjI AE _e konstant ist, und es folgt

22 eingespeist, der den digitalen Wert M in ein daraus, daß A JIA(E₁-M) konstant ist. Das bedeutet

analoges Rückkopplungssignal E_fb umwandelt, das 5 also, daß die Impulsfolgefrequenz / bei dem bekann-

über die Leitung 32 an den zweiten Eingang des ten Umsetzer eine lineare Funktion der Differenz

Differentialverstärkers 14 zurückgekoppelt wird. zwischen den Werten E₁ und M ist. Bei Umsetzern

Wenn sich die Amplitude des Eingangssignals E₁ nach der Erfindung ist die Impulsfolgefrequenz / eine

ändert, ändert sich auch die Amplitude des Fehler- nichtlineare Funktion der Differenz zwischen den

signals E_e, außerdem ändert sich auch die Folge- io Amplitudenwerten für E_t und M, so daß A f/A (E₁-M)

frequenz/ der Impulse am Ausgang des Frequenz- variiert. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh-

generators 18, und zwar nach der vorliegenden Er- rungsbeispiel ist zu diesem Zweck E_lb, wie bei dem

findung in einer nichtlinearen Funktion in Abhängig- bekannten Umsetzer, eine lineare Funktion von M,

keit von der Differenz zwischen den Werten für E₁ jedoch arbeitet der Frequenzgenerator 118 nicht-

und M. Da die Impulse / den Zähler 20 beaufschla- 15 linear, z. B. mit einer logarithmischen Funktion,

gen, ändert sich die Amplitude des analogen Signals d.h. also, daß AjIAE₁, variiert und daß die sich ins-

E_fb in der Richtung, daß das Fehlersignal E_e gegen gesamt ergebende Beziehung Λ JIA[E₁- M) nichtlinear

Null geht. Es sei angenommen, daß die Werte für E_t ist. Das linear abhängige Rückkopplungssignal E_n

und M zunächst Null sind, dann sind die Werte für wird über einen üblichen Digital-Analog-Umsetzer

E_n und E_e ebenso Null. Wenn nun E₁ plötzlich auf 20 122 erzeugt, in welchem Schaltungen nach Maßgabe

einen höheren Wert ansteigt, z. B. um 100 Einheiten, des Zählerausganges vorgenommen werden. Wenn

dann entsteht eine Differenz zwischen E₁ und M, die Impulsfolgefrequenz / am Ausgang des Frequenz-

und zwar von 100 Einheiten, und das Fehlersignal E_e generators 118 im richtigen Sinne nichtlinear von

nimmt einen entsprechenden Wert an. Der Frequenz- dem Fehlersignal E_e abhängt, hat die Folgefrequenz /

generator 18 spricht darauf an und erzeugt eine Im- 25 für einen größeren Prozentsatz der Zeitspanne, in der

pulsfolge/ einer vorbestimmten Folgefrequenz. Der die Konvergenz stattfindet, einen höheren Wert als

Zähler 20 zählt positiv, und der Wert M wächst mit bei linearer Abhängigkeit. Die Folge ist, daß die Zäh-

jedem der Impulse / um eine Einheit. Die Folge ist, lung schneller auf den Endwert konvergiert,

daß die Amplitude von E_n ansteigt, so daß die Am- Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in

plitude des Fehlersignals E_e absinkt. Wegen der 30 F i g. 3 dargestellt ist, wird die nichtlineare Beziehung

nichtlinearen Beziehung zwischen der Folgefrequenz zwischen / und E₁ __f durch eine Nichtlinearität des

des Frequenzgenerators/ und dem FehlersignalE_e Rückkopplungssignals E_n herbeigeführt. A_fb/AM va-

wird die Impulsfolgefrequenz / nach der Erfindung riiert bei diesem Ausführungsbeispiel nichtlinear,

zunächst langsam reduziert und dann schneller, wäh- Die Folge ist, daß die Amplitude des Fehler-

rend M gegen den dem Eingangssignal entsprechen- 35 signals E_e nichtlinear von der Differenz zwischen E₁

den WertE₁ konvergiert. Gleichzeitig konvergiert E₀ und M abhängt, so daß AEJA[E₁-M) — bezogen

gegen Null, und die Impulsfolgefrequenz am Ausgang auf die Zeit — variiert. Obwohl also AfIAE₁₁ kon-

des Frequenzgenerators 18 geht gegen Null, wodurch stant ist, weil bei diesem Ausführungsbeispiel der

der Wert M bei 100 stehenbleibt, wenn die Ampli- Frequenzgenerator 218 eine lineare Umsetzungs-

tude des Eingangssignals Ej nicht weiterwechselt. 40 funktion hat, besteht zwischen / und (E₍—M) eine

Für die Geschwindigkeit, mit der der Umsetzer nichtlineare Beziehung. Das nichtlineare Einkopparbeitet, ist die Zeit maßgebend, die der Zähler 20 lungssignal wird über einen Analog-Digital-Umsetzer braucht, um bei einer plötzlichen Änderung der Am- 222 erzeugt, der über frequenzabhängige Schalter geplitude des Eingangssignals E₁ über den ganzen An- schaltet wird, und zwar in der Weise, daß jeder diesprechbereich eine dieser neuen Amplitude entspre- 45 ser frequenzabhängigen Schalter, die den einzelnen chende Zählung anzunehmen. Diese Ansprechzeit Stufen des Zählers 220 zugeordnet sind, erst dann so kann man durch Öffnen des Schalters 33 messen. umschaltet, daß er den Ausgang E_n beeinflußt, wenn Wenn beispielsweise der Ansprechbereich am Ein- die Geschwindigkeit, mit der sich die Zählerstellung gang 1200 Einheiten umfaßt und bei geöffnetem der zugehörigen Zählerstufe ändert, unter einem vorSchalter 33 und auf Null geschaltetem Zähler 20 ein 50 bestimmten Wert abgesunken ist. Demzufolge ist zu solches maximales positives Eingangssignal entspre- Beginn des Konvergenzvorganges, wenn E_e groß ist chend 1200 Einheiten an den Eingangsanschluß 12 und die Impulsfolgefrequenz / entsprechend hoch ist, gelegt wird, so ergibt sich die Ansprechgeschwindig- nur der Schalter des Generators 222 aktiviert, der der keit aus der Zeit, die der Zähler 20 braucht nach Stufe höchster Ordnung (10³) zugeordnet ist. Es entdem Schließen des Schalters 33 auf die Zählung 55 steht daher kein Rückkopplungssignal, solange die 1200 aufzuzählen. Zählung bis auf 1000 Einheiten aufgelaufen ist, und Bei dem eingangs erwähnten bekannten Umsetzer der Zähler zählt demzufolge über 90% (¹¹Aa) der ist die Impulsfolgefrequenz/ am Ausgang des Fre- ganzen für die Konvergenz erforderlichen Zählung quenzgenerators linear von der Differenz zwischen mit maximaler Zählgeschwindigkeit. Nachdem die Ei und M abhängig. Da bei dieser bekannten Vor- 60 ersten 1000 Einheiten gezählt sind, wird der der richtung die Rückkopplungssignale E_n über einen Zählerstufe höchster Ordnung zugeordnete Schalter üblichen Digital-Analog-Umsetzer erzeugt werden, konditioniert, und es wird ein Rückkopplungssignal ist dort E_n direkt proportional zu M und demzufolge E_n ausgelöst, wodurch die Impulsfolgefrequenz / auf gilt, daß AE_nIAM konstant ist. E_n ist also eine einen Wert abgesenkt wird, auf den der der Zählerlineare Funktion von M. Demzufolge ist auch die 65 stufe zweithöchster Ordnung (10²) zugeordnete freAmplitude des Fehlersignals E_e eine lineare Funktion quenzabhängig schaltende Schalter abgestimmt ist. zur Differenz zwischen den Werten E₁ und M, und Wenn demzufolge die Zählung 1100 Einheiten eres gilt, daß AEJA(E₁-M) konstant ist. Da der bei reicht, wird auch dieser Schalter konditioniert, und

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das Rückkopplungssignal E_n wächst entsprechend an, fällt ab. Die Folge ist, daß der Transistor 141 nichtwodurch die Impulsfolgefrequenz auf einen Wert ab- leitend wird und Massepotential an dem Widerstand gesenkt wird, auf den der der Zählerstufe zweiter 145 liegt. Wenn dagegen auf der zugehörigen Ein-Ordnung (10¹) zugeordnete Schalter abgestimmt ist. gangsleitung ein »!«-Bit liegt, dann wird der Transi-Wenn die Zählung 1110 Einheiten erreicht, wächst 5 stör 143 abgeschaltet, und der Transistor 141 wird das Rückkopplungssignal E_n um einen weiteren Be- leitend, so daß an dem Widerstand 145 positives Potrag an, und anschließend wächst es bei je 10 Ein- tential liegt.

heften stufenweise an, bis die Zählung auf 1190 Ein- Wenn auf allen Ausgangsleitungen des Zählers

heften aufgelaufen ist. Ist dies der Fall, dann ist die »O«-Bits liegen, dann liegen alle Widerstände 145 Frequenz / so weit abgesunken, daß sie die dem ίο auf Massepotential, ebenso wie auf der Ausgangs-Schalter der ersten Zählerstufe (10°) zugeordnete leitung 132. Das Massepotential auf der Ausgangs-Frequenz erreicht hat. Von da ab wird das Rück- leitung 132 steht für die Zählung M gleich Null,
kopplungssignal E_n linear nach Maßgabe der Zäh- Wenn auf den mit 1 und 8 bezeichneten Ausgangs-

lung verändert, bis Konvergenz erzielt ist. leitungen aller Stufen ein »1«-Bit vorliegt, dann hat

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird nun an 15 die Spannung auf der Leitung 132 ihren höchsten Hand der Fig. 4 im einzelnen erläutert. Der umkehr- Wert entsprechend einer Zählerstellung M gleich bare Zähler 120 kann in bekannter Weise als binär 9999. Den dazwischenliegenden Zählerstellungen sind kodifizierter Dezimalzähler ausgebildet sein. Die den entsprechende Zwischenwerte der Spannung auf der Zähler weiterschaltende Impulsfolge / wird über die Leitung 132 zugeordnet. Die Spannung auf der Lei-Leitung 119 eingespeist, die die Ausgangsleitung des tso tang 132 wird in den zweiten Eingang eines Differen-Frequenzgenerators 118 ist. Jeder Eingangsimpuls er- tialverstärkers 114 eingespeist, dessen Ausgang jezeugt in dem Zahler 120 eine Zählung in der Stufe weils die Größe der Differenz zwischen der Amplitude erster, niedrigster Ordnung, das ist die Stufe 10°. Hat des Rückkopplungssignals auf der Leitung 132 und die Stufe niedrigster Ordnung auf 10 gezählt, dann der Amplitude des analogen Eingangssignals, das in schaltet sie sich zurück und schaltet die Stufe nächst- 35 den Eingang 112 eingespeist wird, wiedergibt. Diese höherer Ordnung, 10¹, um eine Einheit weiter usf. Differenzspannung wird auch als Fehlersignal E_e be-Die Zählerstellung liegt auf Ausgangsleitungen 1,2, 4 zeichnet und gelangt an den Frequenzgenerator 118 und 8 jeder Zählerstufe Vor, und zwar in binärer und an den Polaritätsdetektor 116.
Form. Für die Zählerstellung 6 z. B. liegen binäre Der Frequenzgenerator 118 erzeugt eine Impuls-

»1«-Impulse auf den Ausgangsleitungen 2 und 4 der 30 folge auf seiner Ausgangsleitung 119, die den Zähler Zählerstufe erster Ordnung 10°, während auf allen 120 treibt. Die Impulsfolgefrequenz / dieser Impulsanderen Ausgangsleitungen binäre »O«-Impulse lie- folge wird durch einen instabilen Multivibrator aus gen. Die Zählrichtung des Zählers 120 wird über die den Transistoren 154 und 155 bestimmt und ist eine Leitungen 124 und 126 —· die Ausgangsleitungen des Funktion der Amplitude des Fehlersignals am Aus-Polaritätsdetektors 116 — gesteuert. Ein Zuzählsignal 35 gang des Differentialverstärkers 114. Dieses Fehlerauf der Leitung 124 schaltet den Zähler 120 vor- signal gelangt an die Basis des Widerstandes R des wärtszählend ein, ein Abzählsignal auf der Leitung instabilen Multivibrators über eine Eingangsstufe, be- 126 dagegen rückwärtszählend. Mit 130 ist ein mehr- stehend aus den Transistoren 151 und 152 sowie 153. adriges Ausgangskabel bezeichnet, über das die je- Die Ausgangsimpulse werden von dem Kollektor des weilige Zählerstellung an nicht dargestellte weiterver- 40 Transistors 155 abgenommen und gelangen über den arbeitende Vorrichtungen geleitet werden kann. Ausgangstransistor 156 an die Ausgangsleitung 119.

Jede der Ausgangsleitungen des Zählers 120 liegt Für die Impulsfolgefrequenz gilt in Annäherung

über einen zugeordneten Schalter 140 und einen zu- folgende Gleichung:
geordneten, diesem nachgeschalteten Widerstand 145

an einem besonderen Eingang des Rückkopplungs- 45 f —

generators 122. Jeder der Schalter 140 kann eines RCIa

von zwei Bezugspotentialen, je nach seiner Schalterstellung, ausgangsseitig abgeben. Der Rückkopplungsgenerator ist als spannungsteilender Kettenleiter aus- in der V₀ die Spannung am Anschluß 157 und E_e die gebildet, und die Widerstände 145 haben alle den 50 Amplitude des Fehlersignals am Emitter des Transigleichen Widerstandswert. Die Widerstände 145 sind stors 153 ist.

über Widerstände 146 miteinander verbunden, deren Abhängig von den Schaltungsdaten des Generators

Widerstandswerte in einem bestimmten Verhältnis zu- 118 und des für den Ausgang vorgesehenen Frequenzeinander stehen. bereiches ist es in manchen Fällen nötig, besondere

Da die Schalter 140 unter sich gleichartig ausgebil- 55 Schaltungsmittel zusätzlich vorzusehen, um die Ausdet sind, ist nur einer in F i g. 4 detailliert ausgezeich- gangsfrequenz des Generators tatsächlich auf Null abnet. Der Eingangstransistor 143 dieses Schalters 140 zusenken, wenn die Amplitude des Fehlersignals E_e wird nach Maßgabe des Signalniveaus auf der züge- unter einen vorbestimmten Schwellwert in der Nähe hörigen Ausgangsleitung, das an die Basis dieses des Nullpotentials absinkt.

Transistors 143 gelangt, ein- oder ausgeschaltet. Der 60 Der Polaritätsdetektor 116 ist ein zweistufiger Dif-Transistor 141 liegt an einem positiven Bezugspoten- ferentialverstärker mit einem Paar von Transistoren tial und der Transistor 142 an Massepotential. Dem- 169 und 170 in Emitterfolgeschaltung. Die erste Verzufolge gelangt an den zugehörigen Widerstand 145 stärkerstufe weist die Transistoren 161 und 162 und je nach der Schalterstellung des Schalters 140 Masse- die zweite die Transistoren 163 und 164 auf. Wenn potential oder das positive Bezugspotential. 65 der Ausgang des Differentialverstärkers 114 positiv

Wenn auf der Ausgangsleitung, die dem Schalter ist, wird der Transistor 161 vorgespannt und leitend zugeordnet ist, ein »O«-Bit liegt, dann ist der und der Transistor 162 nichtleitend. Die Spannung Transistor 143 gesättigt, und das Kollektorpotential am Kollektor des Transistors 162 steigt dann an und

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schaltet den Transistor 164 ein, so daß dessen KoI- Schaltungen eine lineare Beziehung zwischen der

lektorpotential abfällt. Die Folge ist, daß der Transi- Zählerstellung und dem Rückkopplungssignal E_n be-

stor 166 abgeschaltet wird und der Transistor 167 in steht.

Sättigung geht. Hierdurch wird der Emitterfolge- Da der Frequenzgenerator 118 nach der Erfindung transistor 170 abgeschaltet, und es entsteht ein posi- 5 jedoch nichtlinear — nämlich logarithmisch — auf tives Signal auf der Ausgangsleitung 126. Der in Sät- die Amplitude des Fehlersignals E_e anspricht, beginnt tigung befindliche Transistor 167 schaltet den Transi- die Impulsfolgefrequenz / auf ein Fehlersignal E_e von stör 168 ab. Die Folge ist, daß der Emitterfolge- 1200 Einheiten fast mit der Maximalfrequenz von transistor 169 in Sättigung geht und auf der Aus- 120 kHz, und diese Frequenz bleibt bestehen, ungegangsleitung 124 ein negatives Signal erzeugt wird. io fähr bis die Zählung auf den Wert 900 gekommen ist. Durch diese beiden Ausgangssignale 124 und 126 Sobald die Zählung den Wert 900 erreicht hat, fällt wird der Zähler 120 positiv zählend geschaltet. die Impulsfolgefrequenz steil ab, gegen Null. Diese Wenn die Polarität des Fehlersignals am Ausgang nichtlineare Beziehung der Impulsfolgefrequenz ist des Differentialverstärkers 114 negativ ist, dann aus der zweiten Spalte der Fig. 10b und aus der wechseln die Potentiale auf den Leitungen 124 und 15 Kurvet der Fig. 6 ersichtlich. Im Gegensatz dazu 126, und der Zähler 120 zählt rückwärts. ist das Frequenzverhalten bei der eingangs erwähnten Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß F i g. 2 bekannten Vorrichtung gemäß der zweiten Spalte der und 4 wird nun unter Bezugnahme auf die eingangs F i g. 10 a und der Kurve B aus F i g. 6 linear. Aus erwähnten bekannten Umsetzer und unter Bezug- Fig. 10b ist weiterhin sichtbar, daß A]IA (JE,—M) nähme auf die Fig. 6 bis 9, 10a und 10b erläu- 20 nach der Erfindung nichtlinear verläuft, während tert. Es sei angenommen, daß der eingangsseitige dies, wie aus Fig. 10a ersichtlich, bei einem be-Ansprechbereich des Differentialverstärkers 114 kannten Umsetzer linear ist. Wie bereits bemerkt, ist 1200 Einheiten umfaßt. Das Eingangssignal kann die Änderung von E{—M die gleiche wie die von M, also die »Stufenzahl« 0 bis 1200 durchlaufen und das weil hier davon ausgegangen wurde, daß das Ein-Fehlersignal die »Stufenzahl« 1200 bis 0. Die Zeit- as gangssignal E₁ konstant ist. Die Kurve A aus F i g. 7 konstante des instabilen Multivibrators des Frequenz- zeigt den daraus resultierenden Verlauf nach der Ergenerators 118 ist auf 8,33 · 10~⁴ festgesetzt, und der findung und die Kurve B den entsprechenden Verlauf Spannungswert F₀, mit dem der Multivibrator vorge- nach dem Stand der Technik, spannt ist, beträgt 6 Volt. Die maximale Impulsfolge- F i g. 9 zeigt die Beziehungen zwischen dem Fehfrequenz / beträgt mithin 120 kHz. 30 lersignal E_e und der Zeit für zwei verschiedene Schal-Die Tabelle aus Fig. 10b zeigt den Zählerstand tungen nach dem Stand der Technik entsprechend für 16 verschiedene Zählintervalle, wobei in der den Kurven B und C und für die Schaltung nach der ersten Spalte die ZählungM, in der zweiten Spalte Erfindung entsprechend der Kurvet. Die KurveC, die Durchschnittsimpulsfolgefrequenz/ in Kilohertz, die eine Gerade ist, entspricht einem Umsetzer, bei in der dritten Spalte die von Zählintervall zu Zähl- 35 dem der Frequenzgenerator auf eine feste Frequenz intervall sich ergebende Frequenzänderung A f, in der eingestellt ist. Die Kurve B entspricht dem bekannvierten Spalte die Zeitdauer des zugehörigen Zähl- ten Umsetzer, zu dem auch die Tabelle gemäß Intervalls, in der fünften Spalte die Zeitdauer des zu- Fig. 10a gehört. Die Kurvet aus Fig. 9 entgehörigen Zählintervalls einschließlich aller vorauf- spricht dem Umsetzer nach der Erfindung gemäß gehenden, in der sechsten Spalte des dem Rückkopp- 40 Fig. 2 und 4 und der Tabelle Fig. 10b und 10c. lungssignal E_fb entsprechende Zählungsmittelwert Die Geschwindigkeit ist nach der Erfindung minde- und der siebten Spalte der dem Fehlersignal E_e ent- stens doppelt so groß wie die bei den bekannten Umsprechende Zählungsmittelwert angegeben ist. Die setzern, d. h., daß diejenige Zeit, die erforderlich ist, gleiche Spaltenunterteilung gilt auch für die Tabelle um in dem Umsetzer Konvergenz zu erzielen, nach Fig. 10a, die in der gleichen Zählintervalluntertei- 45 der Erfindung wesentlich niedriger als nach dem lung die entsprechenden Daten für den eingangs be- Stand der Technik ist, so daß Umsetzer nach der schriebenen bekannten Umsetzer angibt, bei dem die Erfindung auf höhere Einfraganzfrequenzen anspreeingangs erwähnte lineare Abhängigkeit besteht. chen können.

Aus Fig. 10b ist ersichtlich, daß sich mit der Das in Fig. 3 dargestellte zweite erfinderische

Zählerstellung von 0 bis 1200 die Amplitude des 50 Ausführungsbeispiel wird nun in Verbindung mit

Rückkopplungssignals E_n linear aufbaut. Jedem F i g. 5 im einzelnen erläutert.

Zählintervall von 100 Einheiten entspricht eine Am- Der Differentialverstärker 214, der Zähler 220 und

plitudenvergrößerung im Rückkopplungssignal um der Rückkopplungsgenerator 222 sind im wesent-

100Einheiten. Da das Niveau des analogen Ein- liehen genauso ausgebildet wie im Text zu Fig.4

gangssignals 1200 Einheiten entspricht, variiert die 55 beschrieben. Der Polaritätsdetektor 216 ist der gleiche

Amplitude des Fehlersignals E_e invers zu der des wie der aus Fig. 2 und 4.

Rückkopplungssignals E_n. Das Fehlersignal E_e sinkt Das nichtlineare Rückkopplungssignal wird über demzufolge um 100 Einheiten ab, wenn die Zähler- frequenzabhängig schaltende Schalter 240 am Einstellung um 100 Einheiten ansteigt. Diese Beziehung gang des Analog-Digital-Umsetzers 222 erzeugt. Die ist grafisch in F i g. 8 dargestellt (vgl. dort die Ge- 60 einzelnen Schalter 240 sind untereinander identisch, raden E_n und E_e). Da bei dem beschriebenen Beispiel und es ist daher nur ein einziger Schalter 240 im E₁ konstant 1200Einheiten beträgt — und nur des- Detail in Fig. 5 ausgezeichnet. Der Schalter 240 halb —, ist E₁-M das Inverse von M. weist einen Eingangstransistor 241 auf, der an einen Die Funktion der Schaltung nach Fig. 4 ist also Transistor 243 gekoppelt ist, der über ein Verzögeinsoweit genau die gleiche wie die der Schaltung nach 65 rungsnetzwerk, bestehend aus den Widerständen R1, dem Stand der Technik, wie sich dies auch aus dem Rl sowie der Kapazität Cl, gesteuert wird. Der Vergleich der beiden rechten Spalten der Tabellen Transistor 243 steuert die Umschaltung des Transigemäß Fig. 10a und 10b ergibt, weil bei beiden storpaares, bestehend aus den Transistoren245 und

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247, über die entweder ein positives Potential oder gehendes sägezahnförmiges Ausgangssignal, dessen Massepotential an den Eingangswiderstand 250 ge- Frequenz der Amplitude des Fehlersignals E_e prolangt, portional ist. Dieses Sägezahnsignal wird wie folgt erWenn auf der Ausgangsleitung 1 der niedrigsten zeugt: Die Kapazität C 2 lädt sich über den Wider-Dekadenstufe des Zählers 220 ein »O«-Bit liegt, ist 5 stand R 4, so daß ein negativer Spannungssprung am der Transistor 241 nichtleitend, und der Transistor Ausgang des Verstärkers 262 auftritt. Sobald dieser 243 bleibt leitend durch das positive Potential am Spannungssprung das negative Potential am Abgriff Anschluß 242. Das negative Emitterpotential am 266 erreicht, wird der Ausgang des Verstärkers 264 Transistor 243 gelangt an die Basis der Transistoren Null und der monostabile Multivibrator 265 getastet. 245 und 247 und schaltet den Transistor 245 ab und io Die daraus resultierenden Impulse gelangen an den den Transistor 247 ein, so daß an dem Eingangs- Zähler 220 und werden dort gezählt; außerdem gewiderstand 250 Massepotential liegt. Wenn auf der langen sie über die erwähnte Rückkopplungsverbingenannten Ausgangsleitung ein »1«-Bit vorliegt, wird dung an den Transistor 261 und schalten diesen leider Transistor 241 leitend, und die Spannung an der tend, so daß die Kapazität C 2 sich entlädt. Der AusBasis des Transistors 243 fällt nach Maßgabe der 15 gang des Verstärkers 262 wird nun wieder positiver, Zeitkonstanten der Glieder Rl, R2 und Cl ab. Wenn und sobald der Impuls des monostabilen Multivibrader Transistor 241 für eine Zeitspanne, die durch tors 265 beendet ist, beginnt die Kapazität C 2 sich diese Zeitkonstante festgelegt ist, leitend bleibt, wird erneut über den Widerstand R 4 aufzuladen, und ein der Transistor 243 abgeschaltet, und die Transistoren neuer Zyklus beginnt. Wenn demzufolge das Fehler- 245 und 247 schalten um, und es gelangt ein positives 20 signal E_e eine größere Amplitude annimmt, sinkt die Potential an den Eingangswiderstand 250. Wenn da- Amplitude der Sägezahnspannung proportional ab, gegen die Ausgangsleitung des Zählers auf einen »0«- und die Frequenz steigt entsprechend an. Da die Im-Bit zurückschaltet, ehe diese Zeitspanne abgelaufen pulsfolgefrequenz des monostabilen Multivibrators ist, bleibt der Transistor 243 leitend, und es kann 265 die gleiche ist wie die der Sägezahnspannung, ist auch kein positives Signal an den Eingangswider- 35 die Impulsfolgefrequenz / der Impulse, die an den stand 250 gelangen. Zähler 220 gelangen, linear abhängig von der Am-Auf diese Weise entsteht also nur dann ein positi- plitude des Fehlersignals E_e.

ver Anteil des Rückkopplungssignals an einer be- Die Wirkungsweise des Umsetzers nach F i g. 5

stimmten Stufe des Zählers, wenn dort eine binäre wird nun an Hand der Fig. 6 bis 9 und 10e be- »1« für eine bestimmte Zeitspanne vorliegt. Die Zeit- 30 schrieben, und zwar an Hand einer Konvergenz auf spanne, während derer diese Bedingung für die ein- Grund eines analogen Eingangssignals maximaler zelnen Ausgangsleitungen erfüllt sind, wachsen an Amplitude. In Fig. 10c'entsprechen die ersten siemit abnehmender Zählgeschwindigkeit. Die Werte ben Spalten den sieben Spalten aus Fig. 10a und von Rl, Rl und Cl für die Schalter 240 der ver- 10b so wie sie untereinander angeordnet sind, und in schiedenen Zählerstufen sind auf die Zählfrequenz in 35 den letzten vier Spalten sind die Zeiten in Millisekunden einzelnen Zählerstufen abgestimmt. Wenn die den angegeben, wie die Schalter der in der Kopf-Impulsfolgefrequenz f abnimmt, wird der Ausgang leiste angegebenen Dekadenstufen des Zählers 220 der Zählerstufen niedrigster Ordnung immer noch in eingeschaltet sind. Die Verzögerungszeit für den »1«- jeder Dekade beaufschlagt, wodurch das Rückkopp- Schalter 240 jeder Dekade ist auf 1 Millisekunde festlungssignal E_fb schnell aufgebaut wird. Auf diese 40 gesetzt. Das bedeutet also, daß auf der entsprechen-Weise wird mit den Schaltern 240 ein Rückkopp- den Zählerausgangsleitung eine binäre »1« für minlungssignal E_n aufgebaut, das einen nichtlinearen destens 1 Millisekunde vorliegen muß, wenn sich dies Zusammenhang zur Zählerstellung M hat und das an für das Rückkopplungssignal auswirken soll. Der den Eingang des Differentialverstärkers 214 gelangt »2«-Schalter — gemeint ist konsequenterweise der und in ähnlicher Weise — wie bei dem Ausführungs- 45 Schalter 240, der an die Ausgangsleitung 2 angebeispiel nach F i g. 2 und 4 — die zur Konvergenz schlossen ist — einer jeder Dekade hat eine entspreerforderliche Zeit abkürzt. chende Verzögerungszeit von 2 Millisekunden, und

Der Frequenzgenerator 218 arbeitet linear, erzeugt die »4«-Schalter und »8«-SchaIter haben entsprealso eine Ausgangsimpulsfolge mit einer Impulsfre- chende Verzögerungszeiten von 4 und 8 MiIIiquenz/, die linear von der Amplitude des Fehler- 50 Sekunden.

signals E₀, das auf der Eingangsleitung 219 vorliegt, Das Eingangssignal ist gemäß der gemachten Vorabhängt. Dieses Eingangssignal gelangt an ein kali- aussetzung 1200 Einheiten groß, und das Fehlersignal briertes Potentiometer 263, das einseitig an einem ₁ ist demzufolge, da der Zähler zunächst auf Null steht, negativen Bezugspotential — V liegt. Wenn die Am-, - ebenfalls 1200 Einheiten groß. Ein Kopplungssignal plitude des Fehlersignals E_e wächst, dann fällt die 55 E_fb liegt zunächst nicht vor. Die Impulsfolgefrequenz/ negative Spannung, die an dem Abgriff 266 abgegrif- des Frequenzgenerators 218 hat deshalb den maxifen wird und in einen Differentialverstärker 264 ein- malen Wert, nämlich 120 kHz. Wie aus den Spalten 8 gespeist wird, ab, das bedeutet, sie wird mehr positiv. bis 11 der Tabelle gemäß F i g. 10 c ersichtlich, er-Der zweite Eingang des Differentialverstärkers 264 geben sich auf Grund dieser Impulsfolgefrequenz für liegt an einem integrierenden Verstärker 262, der 60 die »1«-Schalter der diversen Stufen Ein-Zeiten von über einen Widerstand R 4 an einer negativen Span- 8,3 Millisekunden für die Stufen höchster Ordnung; nungsquelle liegt. Mit C 2 ist eine Kapazität bezeich- 0,83 Millisekunden für die Stufe zweithöchster Ordnet, die über einen Feldeffekttransistor 261, der nor- nung; 0,083 Millisekunden für die Stufe zweiter Ordmalerweise nichtleitend ist, kurzgeschlossen ist. Das nung und 0,0083 Millisekunden für die Stufe nied-Gitter des Transistors 261 liegt an einem monostabi- 65 rigster Ordnung. Die Ein-Zeiten der zugehörigen, den len Multivibrator 265, der vom Ausgang des Ver- Ausgangsleitungen 2, 4 und 8 zugeordneten Schalter stärkers 264 gesteuert wird. Diese Rückkopplungs- 240 ergeben sich aus diesen Zeiten durch Multiplikaverbindung erzeugt am Verstärker 262 ein negativ tion mit 2, 4 bzw. 8. Die einzigen Schalter, die dem-

zufolge ein Rückkopplungssignal auslösen können, wenn der Zähler mit 1200 kHz betrieben wird, sind die in der Zählerstufe höchster Ordnung (10^s). Der Zähler läuft mithin auf die Zählung 1000, ehe ein Rückkopplungssignal ausgelöst werden kann.

Sobald die Zählung 1000 erreicht ist, wird der »1«- Schalter der Zählerstufe 10^s eingeschaltet und löst ein Rückkopplungssignal von 1000 Einheiten aus, das in den Differentialverstärker 214 eingespeist wird. Dadurch wird das Fehlersignal auf 200 Einheiten reduziert und entsprechend die Impulsfolgefrequenz / auf 20 kHz. Bei dieser Zählfrequenz sind die Standzeiten auf den Ausgangsleitungen 1, 2, 4 und 8 der Zählerstufe zweithöchster Ordnung (10²) 5, 10, 20 und 40 Millisekunden, so daß auch von dort Rückkopplungssignale ausgelöst werden. Das Rückkopplungssignal wächst mithin auf 1100 Einheiten an, wenn der Zähler die Zählung 1100 Einheiten erreicht, und die Impulsfolgefrequenz sinkt daraufhin auf 10 kHz ab. Nun überschreiten auch die Standzeiten der zweiten Zählerstufe 10¹ die Verzögerungszeiten der zugehörigen Schalter, und die zweite Zählerstufe trägt auch zum Rückkopplungssignal bei.

Das Rückkopplungssignal E_n wächst nun mit Schritten von je 10 Einheiten an, bis die Zählung 1190 erreicht. In diesem Moment werden auch die Schalter der ersten Stufe 10° wirksam, und der weitere Aufbau des Rückkopplungssignals erfolgt linear nach Maßgabe der Zählung.

Vergleicht man die fünfte Spalte der Tabelle gemäß F i g. 10 c mit der fünften Spalte der Tabelle gemäß Fig. 10b, dann erkennt man, daß etwa bis zur Zählung 1190 nach beiden Spalten ein etwa paralleler Verlauf der Zählung erfolgt. Die letzten zehn Zählungen erfordern nach Tabelle 10 c eine größere Zeitspanne, weil dabei der Aufbau des Rückkopplungssignals linear, wie nach dem Stand der Technik, erfolgt. Ungeachtet dessen ist durch die wesentlich schnellere Zählung von 0 bis 1190 die Ansprechgeschwindigkeit der Schaltung gemäß F i g. 5 wesentlieh größer als die bei dem eingangs beschriebenen bekannten Umsetzer.

Die Funktion des Umsetzers nach F i g. 5 ist auch aus F i g. 6 bis 9 ersichtlich. Da diese Schaltung einen linear arbeitenden Generator verwendet, ist die Beziehung zwischen dem Fehlersignal und der Impulsfolgefrequenz / gemäß der Kurve B aus F i g. 6 linear. Da die Schaltung nach F i g. 5 jedoch aus der Zählung über eine nichtlineare Funktion das Rückkopplungssignal ableitet, ist die Kurve .E^₆ aus Fig. 8 für dieses Rückkopplungssignal keine Gerade. Für das Fehlersignal ergibt sich eine inverse nichtlineare Funktion gemäß der KurveE/ aus Fig. 8. Wegen dieser letztgenannten Beziehung entspricht der Verlauf der Impulsfolgefrequenz / ungefähr dem des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 gemäß Kurvet aus F i g. 7. Die Abhängigkeit des Fehlersignals von der Zeit ist im wesentlichen auch die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 gemäß Kurvet.

Bei der Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß die Übersetzungsverhältnisse im Differentialverstärker 1:1 sind. Man kann von diesen Übersetzungsverhältnissen auch abgehen, um die Ansprechempfindlichkeit des Polaritätsdetektors 116 bzw. 216 zu erhöhen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 und 4 wurde die Impulsfolgefrequenz nichtlinear abgeleitet, dagegen das Rückkopplungssignal linear abgeleitet. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F ig. 3 und 5 wurde umgekehrt das Rückkopplungssignal nichtlinear abgeleitet und die Impulsfolgefrequenz linear abgeleitet. Man kann natürlich diese beiden Nichtlinearitäten in einem Ausführungsbeispiel kombinieren, indem also sowohl das Rückkopplungssignal gemäß F i g. 3 als auch die Impulsfolgefrequenz gemäß F i g. 2 nichtlinear abgeleitet; mit einem nichtlinear abgeleiteten Rückkopplungssignal also einen nichtlinear steuerbaren Oszillator treibt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einem Impulsgenerator, dessen Ausgangsimpulse in einem Impulszähler zur Erzeugung der digitalen Signale gezählt werden, und mit einer von dem Impulszähler beaufschlagten Rückkopplungsschleife zur Steuerung der Frequenz des Frequenzgenerators in nichtlinearer Abhängigkeit nach Maßgabe der Impulszählerstellung, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig ein Differentialverstärker (14) vorgesehen ist, in den die Analogsignale und die Rückkopplungssignale der Rückkopplungsschleife eingespeist und voneinander subtrahiert werden und dessen Ausgangssignal in nichtlinearer Abhängigkeit die Frequenz des Frequenzgenerators (18) bestimmt, derart, daß großen Differenzen zwischen Zählerstand und eingespeistem Analogsignal kleine Frequenzdifferenzen entsprechen, und umgekehrt, und dessen Vorzeichen die Zählrichtung des als umkehrbarer Zähler ausgebildeten Impulszählers (20) bestimmt.

2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nichtlinearität der Rückkopplungsschleife (222) eingeprägt ist (Fig. 2).

3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nichtlinearität dem Frequenzgenerator (118) eingeprägt ist (F ig. 2).

4. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nichtlinearität teilweise der Rückkopplungsschleife und teilweise dem Frequenzgenerator eingeprägt ist.

5. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzgenerator (118) mit eingeprägter Nichtlinearität vorgesehen ist mit einem die Impulsfolgefrequenz (/) bestimmenden Multivibrator, der mit dem Ausgangssignal des Differentialverstärkers (114) angesteuert wird.

6. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die nichtlineare Rückkopplungsschleife ein Rückkopplungsgenerator (222) vorgesehen ist, der über Schalter (240) aus sämtlichen binären Ausgängen aller Stufen (10°, 10¹, 10⁴) des Impulszählers (220) angeschlossen ist, derart, daß nur über die mit »1«-Bits belegten Ausgänge ein Rückkopplungssignalanteil (E_!b) ausgelöst werden kann, und zwar auch nur dann, wenn dieser »1«- Bit mindestens für eine im zugehörigen Schalter (240) eingeprägte Ansprechdauer vorliegt.

7. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulszähler

(220) ein dekadischer Zähler ist mit Ausgängen (1, 2, 4, 8) für jede Dekadenstufe (10», 10*, 10², 10⁴) und daß sämtliche den »!«-Ausgängen aller Dekadenstufen zugeordneten Schalter (240) eine Ansprechzeit, umfassend eine Zeiteinheit (t), sämtliche den »2«-Ausgängen zugeordneten Schalter eine Ansprechzeit (2 · t), umfassend zwei Zeiteinheiten (t) sämtlichen den »4«-Ausgängen zugeordneten Schalter eine Ansprechzeit (4 · t), umfassend vier Zeiteinheiten (t) und sämtliche den »8«-Ausgängen zugeordneten Schalter eine Ansprechzeit (8 ■ t), umfassend acht Zeiteinheiten (i) eingeprägt ist, wobei die Zeiteinheit (t) so be-

messen ist, daß bei Zählung mit höchstmöglicher Impulsfrequenz (f) als erster Schalter (240) ein der Zählerstufe höchster Ordnung (10⁴) zugeordneter anspricht.

8. Analog-Digital-Umsetzer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (120) ein in seiner Zählrichtung umkehrbarer Zähler ist und daß dem Zähler und dem Differentialverstärker (114) ein Polaritätsdetektor (116, 216) zur Umkehr der Zählerrichtung nach Maßgabe des Vorzeichens des Ausgangssignals am Differentialverstärker zwischengeschaltet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen