DE1292179B - Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analog- giequellen für das Widerstandsnetzwerk des Digital-Digital-Umsetzung unter Anwendung des sukzessiven Analog-Umsetzers. Die erste Energiequelle benutzt Approximationsprinzips mit Hilfe eines Digital-Ana- man zur Umsetzung positiver analoger Eingangssilog-Kettenleiterumsetzers, dessen den Stellenwertig- gnale, während man die andere Energiequelle zur Umkeiten zugeordnete Digitalstufen über eine Steuer- 5 Setzung negativer analoger Eingangssignale heranzieht, schaltung nacheinander aufgerufen werden und dessen Ein auf diesem Prinzip aufgebautes Ausführungsbei-Analogausgang mit einem Eingang eines Vergleichers spiel ist in der USA.-Patentschrift 3 092 824 beschrieverbunden ist, dessen, anderer Eingang als Analog- ben. Der Hauptnachteil dieser Ausführungsform besignaleingang dient. steht in den hohen Kosten, die sich durch die Ver-

Es sind bereits Verfahren zur Analog-Digital-Um- io Wendung von zwei Präzisions-Energiequellen ergeben, setzung bekannt, bei denen das Prinzip der sukzessiven Dabei ist es gleichgültig, ob man zwei tatsächlich geApproximation angewendet wird. Die Umsetzer, die trennte Energiequellen für die Bereitstellung eines posibei diesen Verfahren benutzt werden, enthalten im tiven und eines negativen Potentials vorsieht oder ob wesentlichen ein digitales Register zur Speicherung des man eine zu einer Einheit vereinigte Energiequelle bejeweils festgestellten Digitalwertes sowie einen Digital- 15 nutzt, deren einer Pol ein positives und deren anderer Analog-Umsetzer zur Umsetzung des im digitalen Re* Pol ein negatives Potential von hoher Stabilität und gister gespeicherten Digitalwertes in ein entsprechendes Präzision liefert.

Analogsignal. Das umzusetzende analoge Eingangs- Es ist weiterhin bereits eine Umsetzung bipolarer

signal wird mit dem vom Digital-Analog-Umsetzer analoger Eingangssignale in Digitalwerte vorgeschlagen erzeugten Analogsignal verglichen. Wenn die beiden 20 worden, die in einem digitalen Register gespeichert miteinander zu vergleichenden Signale größenord- werden. Die entsprechende Umsetzeinrichtung besteht nungsmäßig nicht innerhalb eines bestimmten Be- aus einem Summierglied zur Addition des analogen Einreiches liegen, wird der im digitalen Register gespei- gangssignals und aus einem Digital-Analog-Umsetzer cherte Digitalwert verändert, wodurch sich auch die zur sukzessiven Approximation eines zweiten Analog-Große des vom Digital-Analog-Umsetzer erzeugten 25 signals. Der vom Umsetzer gelieferte zweite Analog-Analogsignals entsprechend ändert. Der Vorgang des wert wird in einem Vergleicher dem analogen Ein-Vergleichens des Analogsignals des Digital-Analog- gangssignal immer mehr angeglichen, bis am VerUmsetzers mit dem analogen Eingangssignal und die gleicher der Unterschied zwischen dem Ausgangswert Veränderung des im digitalen Register gespeicherten des Summiergliedes und dem Bezugswert möglichst Digitalwertes wird, wenn die beiden miteinander zu ver- 30 klein geworden ist. Um bipolare, analoge Eingangsgleichenden Signale nicht innerhalb eines vorbe- signale verarbeiten zu können, obwohl nur eine einstimmten Bereiches liegen, in einem sukzessiven fache Präzisionsenergiequelle vorgesehen wird, ist bei Approximationsverfahren so lange fortgesetzt, bis dieser Umsetzungsart ein Umschaltmittel vorgesehen, beide Signale praktisch gleich groß geworden sind. Ist mit dem der Vergleicher zum Zweck der Bildung verdieser Zustand erreicht, so entspricht der im digitalen 35 schiedener Bezugswerte in Abhängigkeit von der PoIa-Register gespeicherte Digitalwert der Größe des ana- rität des analogen Eingangssignals entweder mit einem logen Eingangssignals. Die Umsetzung des Analog- Bezugswert von neutraler Polarität (0 Volt, Masse) Signals in einen Digitalwert ist damit beendet. oder mit einem Bezugswert einer bestimmten von 0 ver-

Bei dieser Art der Umsetzung ist zu beachten, daß schiedenen Polarität verbunden wird. Eine derartige man im allgemeinen für Referenzzwecke eine Span- 40 Vorrichtung ist Gegenstand der von dem gleichen Ernungs- oder Stromquelle benötigt, die eine der PoIa- finder hinterlegten deutschen Patentanmeldung J 30753 rität des analogen Eingangssignals entgegengesetzte ' VIII a/21 a¹.

Polarität aufweist. Da eine solche Energiequelle für Es ist das Ziel der Erfindung, die zuletzt genannte Art

Referenzzwecke benutzt wird, muß sie grundsätzlich der Analog-Digital-Umsetzung wesentlich zu verbesvon hoher Qualität sein, in ihren Ausgangswerten 45 sern. Insbesondere soll die Umsetzungsgeschwindigkeinen Schwankungen unterliegen, sondern sie muß keit ohne zusätzlichen Aufwand erhöht und die Besieh durch ein Höchstmaß an Stabilität der elektrischen triebssicherheit vergrößert werden. Werte auszeichnen. Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung bekannter

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Um- Art werden gemäß der Erfindung dadurch verbessert, setzung bipolarer analoger Eingangssignale unter Ver- 50 daß der Analogausgang eines ersten, den höheren wendung des genannten Umsetzertyps bekanntgewor- Stellenwerten zugeordneten D/A-Umsetzers dem einen den. Bei einem Verfahren macht man beispielsweise Eingang (Bezugsanschluß) und der Analogausgang Gebrauch von einem zweipoligen Umschalter, mit dem eines zweiten, den niedrigeren Stellenwerten zugeorddie Eingangskontakte umgepolt werden, wenn das neten D/A-Umsetzers dem anderen, gleichzeitig über analoge Eingangssignal eine bestimmte Polarität auf- 5s ein Summierglied den Analogsignaleingang bildenden weist. Ein nach diesem Prinzip arbeitender Umsetzer Eingang (Summenanschluß) des Vergleichers zugeführt ist beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 892186 werden, und daß zunächst der Analogausgangswert des beschrieben. Vorrichtungen dieser Art sind in ihrem ersten D/A-Umsetzers am Bezugsanschluß stufen-Anwendungsbereich beträchtlich eingeschränkt, da sie weise dem Analogeingangssignal am Summenanschluß dann nicht anwendbar sind, wenn die umzusetzenden 60 angenähert, anschließend der am Bezugsanschluß einanalogen Eingangssignal zwischen einer Eingangs- gestellte Analogwert festgehalten und schließlich die leitung und Masse liegen. Man spricht hierbei von Summe des Analogeingangssignals und des nunmehr Systemen mit unipolaren Eingängen. In solchen Syste- stufenweise veränderten Analogausgangswertes des men ist also die Anwendung der obenerwähnten Um- zweiten D/A-Umsetzers am Summenanschluß dem poltechnik für die Verarbeitung bipolarer analoger 65 Analogwert am Bezugsanschluß angeglichen werden. Eingangssignale nicht möglich. Auf diese Weise erreicht man infolge der kürzeren

Bei einem anderen Verfahren der bipolaren Analog- Einsteüzeiten des Vergleichers bei gleichem Aufwand Digital-Umsetzung benutzt man zwei Präzisions-Ener- höhere Umsetzungsgeschwindigkeiten. Weiterhin wird

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vorgeschlagen, daß den beiden D/A-Umsetzern eine Widerstands-Kettenleiter 16, 17 bestehen in üblicher gemeinsame, unipolare, stabilisierte Stromversorgungs- Weise aus einer Anzahl von Längsgliedern mit den quelle als Bezugswertquelle zugeführt wird und daß im Widerständen R und einer Anzahl von Ouergliedern zweiten D/A-Umsetzer eine Vorzeichenstelle vorge- mit den Widerständen IR. Durch diese Bezeichnung sehen ist, aus welcher, wenn am Summenanschluß und 5 soll ausgedrückt werden, daß der Widerstandswert der am Bezugsanschluß entgegengesetzte Polaritäten vor- Querglieder doppelt so groß wie der der Längsglieder ist. herrschen, dem Summenanschluß ein Komplement be- Die Schalter 22 dienen dazu, die verschiedenen Querzüglich der Basis des jeweiligen Digitalsystems ent- glieder der Widerstands-Kettenleiter entweder an Masse sprechender Analogwert zugeführt wird, und daß die oder an die stabilisierte Stromversorgungsquelle 11 zu Analog-Digital-Umsetzung in komplementärer Form io legen. Es handelt sich um einfache Umschalter, deren durchgeführt wird. einer Pol mit der stabilisierten Stromversorgungsquelle

Auf diese Weise lassen sich an einem unipolaren 11 und deren anderer Pol mit Masse verbunden ist. Die Eingang zugeführte bipolare Analogsignale umsetzen, bekannte Wirkungsweise der Widerstands-Kettenleiter obwohl nur eine unipolare Bezugswertquelle vorge- wird im folgenden kurz beschrieben:
sehen ist. 15 Die vom Digital-Analog-Umsetzer zwischen dem

Insbesondere wird auch vorgeschlagen, daß im ersten Bezugsanschluß 23 und Masse gebildete Spannung ist D/A-Umsetzer eine zusätzliche Leerstufe vorgesehen eine Funktion des Sshaltzustandes der Schalter. Bringt ist, in welcher nach angeschlossenem Zyklus dieses man beispielsweise den zweiten Schalter S12 in die der Umsetzers eine zusätzliche Ziffer zum erhaltenen stabilisierten Stromversorgungsquelle 11 zugeordnete Digitalwert addiert wird, und daß der Analogausgangs- 20 Schaltstellung, so liegt zwischen Bezugsanschluß 23 und wert am Bezugsanschluß während des anschließenden Masse eine Spannung, die halb so hoch ist, wie wenn Zyklus des zweiten D/A-Umsetzers auf einen größeren der erste Schalter in diese Schaltstellung gebracht wird. Wert als die am Summenanschluß auftretenden Ana- Beginnend mit dem ersten in der Reihe der aufeinlogwerte erhöht wird, und daß nach der Umsetzung anderfolgenden Schalter des Widerstands-Kettenleiters der gespeicherte Digitalwert des zweiten D/A-Um- 25 hat jeder Schalter eine halb so große Wirkung wie der setzers von dem des ersten D/A-Umsetzers subtrahiert vorhergehende.

wird. Auf diese Weise erhält man den richtigen Digital- Eine in einer der Stellen DO bis D13 des Registers 14

wert trotz der Sicherstellung der Polaritätsbeziehung oder 15 gespeicherte binäre 1 bewirkt, daß der entdurch die zusätzliche Leerstufe. sprechende Schalter in die der stabilisierten Stromver-

Schließlich wird vorgeschlagen, daß die Analog-Aus- 30 sorgungsquelle zugeordnete Stellung gebracht wird, gangsspannung des zweiten D/A-Umsetzers über ein Einzelheiten der Schaltung zur Betätigung der Schalter Dämpfungsglied zu dem Summenanschluß geleitet 22 über die Register 14, 15 und ebenso Einzelheiten wird. Dadurch können die im zweiten, für die niedrige- über die Schalter 22 selbst sind hier nicht angegeben, ren Stellenwerte zuständigen D/A-Umsetzer zu ver- da für diese Zwecke bekannte Schaltungen verwendbar arbeitenden Signalpegel so gewählt werden, daß eine 35 sind. Dadurch, daß jeder Schalter die halbe Spannung exakte Umsetzfunktion gewährleistet ist. des vorhergehenden Schalters liefert, stellt die in den

Die Erfindung wird erläutert durch die nachstehende die Schalter betätigenden Registern gespeicherte Zahl Beschreibung eines bevorzugten, durch die Zeichnung nach der Vergleichsoperation den binären Wert des erläuterten Ausführungsbeispiels. Es zeigt dem Eingang 5 zugeführten Analog-Signals dar. Durch

F i g. 1 die für das Analog-Digital-Umsetzungsver- 40 ein aus einem T-Glied bestehendes Dämpfungsglied 12 fahren benutzte Schaltungsordnung, wird die Bestimmung der Bits der unteren Stellen unter-

F i g. 2 eine Tabelle mit den Umsetzungsschritten stützt. Im betrachteten Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bei einem positiven eingangsseitigen Analogsignal und bewirkt das T-Glied eine Dämpfung im Verhältnis Fig. 3 eine Tabelle mit den Umsetzungsschritten 1:256. Auch hier liefert der Widerstands-Kettenleiter 17 bei einem negativen eingangsseitigen Analogsignal. 45 an den Summenanschluß 9 eine gedämpfte Span-Der in F i g. 1 dargestellte Umsetzer besteht aus nung, ähnlich wie es in Verbindung mit dem Bezugsaneinem Eingang 5 für das Analogsignal, einem ersten Schluß 23 beschrieben worden ist.
Digital-Analog-Umsetzer 6, einem zweiten Digital- Im Betrieb wird das dem Eingang 5 zugeführte Ana-

Analog-Umsetzer 7, einer Steuerschaltung 8, einem logsignal über einen Widerstand 20 an den Summen-Summenanschluß 9, einem Bezugsanschluß 23, einem 50 anschluß 9 angelegt. Es sei zunächst angenommen, daß Vergleicher 10 und einer stabilisierten Stromversor- die stabilisierte Stromversorgungsquelle 11 eine negagungsquelle 11. Eine erste digitale Register- und Zeit- tive Bezugsspannung liefert. Die Bezugsspannung am geberstufe 14 mit neun mit D6D, DdA, Dl, D8, D9, Vergleicher ist zunächst 0. Der Vergleicher kann nun DlO, DU, DYl und £»13 bezeichneten Stellen ist dem eine Entscheidung bezüglich der Polarität des Analogersten Digital-Analog-Umsetzer 6 zugeordnet. Eine 55 signals treffen, indem er das Analogsignal mit der am zweite Register-und Zeitgeberstufe 15 mit acht mit DO, Bezugsanschluß 23 liegenden Spannung, die zunächst Dl, Dl, D3, DA, DS, D6, B und mit Vorzeichen be- gleich Massepotential ist, vergleicht. Nunmehr liefert zeichneten Stellen ist dem zweiten Digital-Analog-Um- der Digital-Analog-Umsetzer 6 an den Bezugsansetzer 7 zugeordnet. Außerdem ist jeweils einem Kon- Schluß 23 negative Bezugsspannungen. Die Anordnung verter und einem Register ein Widerstands-Kettenleiter 60 arbeitet also so, daß positive Werte der analogen Einzugeordnet, und zwar arbeitet der Widerstands-Ketten- gangsspannung digital als Zweierkomplement dargeleiter 16 mit Register 14 und der Widerstands-Ketten- stellt werden. Der Arbeitsbereich des Umsetzers kann leiter 17 mit Register 15 zusammen. beliebig festgesezt werden; im hier betrachteten

Die Widerstands-Kettenleiter 16, 17 enthalten eine Beispiel ist er auf ± Volt festgesetzt. Wäre die Bezugs-Anzahl von mit SO bis 514 bezeichneten Schaltern 22, 65 spannung der stabilisierten Stromversorgungsquelle 11 die mit den entsprechenden Registerstellen gekoppelt positiv, dann wurden negative Werte des analogen Einsind, wobei Schalter 514 mit der VORZEICHEN- gangssignals als Zweierkomplement dargestellt werden. STELLE des zweiten Registers 15 gekoppelt ist. Die Der Vergleicher spricht also auf das Polaritätsver-

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hältnis an und betätigt in Abhängigkeit von der PoIa- liegen. Mit Hilfe des Widerstandes 20 können höhere rität des Analogsignals die Vorzeichenstelle des Regi- Analogspannungen umgesetzt werden als sonst mögsters 14. Über die Steuerschaltung 8 wird nunmehr die lieh, da die analoge Eingangsspannung am Summenan-Stelle D13 im ersten Register 14 aktiviert, und der da- Schluß 9 vermindert ist. Die Größe des Widerstandes20 mit gekoppelte Teil des Widerstands-Kettenleiters 16 5 ist normalerweise 2R und ist damit gleich der der legt die vom Digital-Analog-Umsetzer 6 erzeugte Be- Widerstände in den Quergliedern des Widerstandszugsspannung an den Bezugsanschluß bzw. Eingang Kettenleiters. Wird der Wert des Widerstandes 20 verdes Vergleichers 10. Das Ergebnis des Vergleichers ändert, so muß auch der Widerstand des Kettenleiters bestimmt den Schaltzustand in der betreffenden 16, vom Vergleicher aus gemessen, also der Widerstand Stelle des Registers 14. Dieser Vorgang wiederholt io am Bezugsanschluß 23, verändert werden, so daß er sich, gesteuert von der Steuerschaltung 8, bei allen dem des Kettenleiters 17, also dem Widerstand am folgenden Stellen mit niedrigerer Wertigkeit. Der Summenanschluß 9, entspricht,
im Register 14 gespeicherte Wert verändert also die Als Steuerschaltung 8 dient eine geeignete logische

analoge Spannung, die der erste Digital-Analog-Um- Schaltung zur Durchführung der sukzessiven Approxisetzer 6 dem Vergleicher 10 zuführt. Der Vorgang der 15 mation. Die Wirkungsweise der Steuerschaltung besukzessiven Approximation wird so lange fortgesetzt, steht darin, die Register 14, 15 und die zugeordneten bis die erzeugte analoge Spannung nahezu gleich der Schalter zu betätigen, bis der Vergleicher 10 anzeigt, am Analogsignaleingang 5 liegenden Spannung ist. Der daß die vom Widerstands-Kettenleiter gebildete Span-Umsetzer 6 wirkt demnach zusammen mit Vergleicher nung etwa gleich der am Vergleicher liegenden Bezugs-10 und Register 14 als Analog-Digital-Umsetzer, wobei ao spannung ist. Derartige elektronische, schrittweise die am Analogsignaleingang 5 liegende Spannung als weiterschaltende Steuerschaltungen sind bekannt. Im Bezugsspannung dient, um den Digitalwert dieser Bedarfsfall können die einzelnen Schaltschritte auch Analogspannung in Form einer achtstelligen Binär- manuell durchgeführt werden,
ziffer anzugeben. Zur Bestimmung des Vorzeichens des analogen

Anschließend bleibt der Umsetzer 6 auf dem er- 25 Eingangssignals werden konventionelle Schaltungen mittelten Wert eingestellt, während die Registerstellen verwendet, die nicht näher erläutert werden. Das Vorim zweiten Umsetzer 7 bis zu einem abschließenden zeichen des analogen Eingangssignals wird vom VerVergleich der Reihe nach eingestellt werden. Während gleicher 10 bestimmt. Er vergleicht die am Summendieser Folge von Vergleichsschritten wird der am Be- anschluß vom analogen Eingangssignal herrührende Zugsanschluß 23 liegende Pegel als Bezugspegel ver- 30 Spannung mit der am Bezugsanschluß 23 liegenden wendet, wobei das Potential am Analogeingang eben- Bezugsspannung (im betrachteten Beispiel Massefalls konstant bleibt. potential) und trifft die Entscheidung darüber, ob Der Vergleicher 10 vergleicht die Spannung am das analoge Eingangssignal positiv oder negativ ist. Summenanschluß 9 mit einer negativen Spannung, Zweckmäßig und üblich ist es, das Vorzeichen oder wenn am Analogsignaleingang 5 eine negative Span- 35 S-Bit links von der höchsten Stelle einer Zahl anzunung liegt, und er vergleicht ein positives Analogsignal geben. Bei der hier betrachteten Anordnung wird in seiner negativen Zweierkomplementform mit einer das Vorzeichenbit jedoch im zweiten Register 15 genegativen, am Bezugsanschluß 23 gebildeten Bezugs- speichert, um die beschriebene Polaritätsbestimmung spannung. Das Zweierkomplement wird durch Ein- durchzuführen. Die Spannungen am Summenanschluß schalten des Vorzeichenschalters S14 gebildet, wenn, 40 und am Bezugsanschluß werden auf die Spannung am wie im vorstehenden ausgeführt, das Analogsignal Analogsignaleingang bezogen. Auf diese Weise sind positiv ist. Infolge dieser Wirkungsweise kann dieses die Spannungen am Analogsignaleingang 5 etwa Umsetzersystem bipolare Analogsignale an einem uni- dreimal so groß wie die Spannungen am Summenpolaren Eingang auswerten, wobei lediglich eine uni- anschluß 9, wenn diese Spannungen gegenüber Erde polare Stromversorgungsquelle erforderlich ist. Im be- 45 bemessen werden wurden. In entsprechender Weise trachteten Beispiel sind sämtliche Spannungen am werden die Spannungen am Bezugsanschluß 23 be-Summenanschluß negativ und werden mit negativen züglich des Analogsignaleingangs als negative Be-Bezugsspannungen verglichen. Zugsspannungen verwendet. Dadurch ergibt sich Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gestattet effektiv ein dreimal höherer Spannungswert, als der auch die Umsetzung einer analogen Eingangsspannung 50 tatsächlich am Bezugsanschluß 23 vorhandene ist, negativer Polarität in eine Binärzahl so, daß die die wenn die Spannung direkt gegenüber Massepotential Höhe der Analogspannung kennzeichnende Binärzahl - gemessen wird.

nach Bestimmung des Absolutwertes durch einen Com- Die Wahl der Widerstände des Widerstands-Ketten-

puter 21 in direkt lesbarer Form angegeben wird. Soll leilers wird einmal von der am Analogsignaleingang 5 jedoch ein positives analoges Eingangssignal umgesetzt 55 benötigten Eingangsimpedanz und zum anderen von werden, dann liefert der angeschlossene Computer 21 den zulässigen Ausgangsimpedanzschwankungen für das Zweierkomplement der die Höhe des Analogsignals die Stromversorgungsquelle 11 bestimmt. Außerdem kennzeichnenden Binärzahl. Durch Änderung der Po- muß beim Bau derartiger Umsetzer die zulässige Einlarität der von der stabilisierten Stromversorgungs- gangsimpedanz des Vergleichers 10 in Betracht gezogen quelle 11 gelieferten Bezugsspannung können positive 60 werden. Der Wert des mit R bezeichneten Widerstandes Zahlen direkt und negative Zahlen als Zweierkomple- ergibt sich also im wesentlichen aus den Betriebsbedinment geliefert werden. gungen der anderen Bauelemente. Wesentlich ist aber,

Bekanntlich entspricht die Spannung am Summen- daß die Widerstandswerte der mit 2 R bezeichneten anschluß 9 der Summe aus der vom Analog-Digital- Widerstände doppelt so hoch wie die der mit R beUmsetzer 7 erzeugten Spannung und der am Analog- 65 zeichneten Widerstände sind. Der als Bezugsgröße versignaleingang 5 angelegten Spannung. Der Widerstand wendete Wert der Ausgangsspannung oder des 20, der den Arbeitsbereich festlegt, muß zwischen dem Ausgangsstromes ist im Hinblick auf die Erfindung Analogsignaleingang 5 und dem Summenanschluß 9 unwesentlich. Der maximal zulässige Größenbereich

eines Analogsignals entspricht jedoch der von der der Summe zwischen dem positiven Analogsignal von Stromversorgungsquelle 11 gelieferten Spannung, falls 3,031 Volt und dem negativen Bezugspotential von der Eingangswiderstand 20 die Größe 2 R aufweist, Im —5,0 Volt. Im zweiten Schritt liegt am Bezugsanbeschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt der Span- Schluß 23 des Vergleichers eine Spannung von nungsbereich des Analogsignals ± 5 Volt. Die Schalter 5 —2,5 Volt. Der Vergleicher 10 stellt somit fest, daß 513 bis 50 liefern der Reihe nach folgende Spannungen: die Spannung am Bezugsanschluß 23 höher ist als —2,5, —1,25, —0,625, —0,3125, —0,15625, —0,07813, am Summenanschluß. Diese Feststellung bedeutet, —0,03906, —0,001953 usw. bis —0,0003 Volt. daß Schalter 513 auf 0- bzw. Massepotential rück-

Insgesamt liefern diese Schalter etwa eine Spannung gestellt wgrden muß. Die Steuerschaltung 8 bringt von —5 Volt. Der Schalter 514 liefert eine Spannung io deswegen anschließend den Schalter 512 in den von —5 Volt, bezogen auf den Analogsignaleingang. EIN-Zustand und stellt den Schalter 513 zurück. Die Ein analoges Eingangssignal, das ± 5 Volt über- Spannung von —1,969 Volt am Summenanschluß 9 schreitet, wird vom Umsetzer in der Größe von bleibt bestehen, während die Bezugsspannung am ± 5 Volt angezeigt. Bezugsanschluß 23 um die Hälfte vermindert wird.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wand- 15 Am Bezugsanschluß 23 liegen demnach nunmehr lers läßt sich am übersichtlichsten dadurch beschreiben, —1,25 Volt. In diesem Zustand entscheidet der Verdaß dem Analogsignaleingang 5 zunächst eine positive gleicher 10, den Schalter 512 im eingeschalteten Spannung und anschließend eine entsprechende nega- Zustand zu belassen. Die Steuerschaltung 8 schaltet tive Spannung zugeführt werden und daß jeweils die zur anschließend den Schalter 512 in den EIN-Zustand. Umsetzung dieser Werte erforderlichen Schritte er- so Die Spannung am Summenanschluß 9 bleibt weiterläutert werden. Die einzelnen Stellen der Register 14 hin auch in den folgenden Zyklen bis zur Betätigung 15 sind normalerweise gelöscht, d. h., sie befinden sich des Schalters S6A auf dem Wert von —1,969 Volt, im NULL-Zustand, und die zugeordneten Schalter 22 Der Schalter 511 ruft am Bezugsanschluß 23 eine stellen die Verbindung zum Massepotential her. Im Spannung von —1,875 Volt hervor. Der Vergleicher ersten von der Steuerschaltung 8 eingeleiteten Zyklus as stellt fest, daß auch Schalter 511 eingeschaltet bleiben findet die Vorzeichenbestimmung des analogen Ein- muß. Nunmehr wird Schalter 510 betätigt. Es liegen gangssignals statt. Sobald der Vergleicher 10 ein damit —2,1875 Volt am Bezugsanschluß 23. Der Verpositives Analogsignal feststellt, wird in der Vor- gleicher stellt fest, daß der Schalter 510 rückgestellt zeichenstelle des Registers 15 und gleichzeitig in der werden muß, da die durch ihn am Bezugsanschluß 23 Stelle D 13 des Registers 14 während des zweiten 30 hervorgerufene Spannung höher als die am Summen-Zyklus eine 1 gespeichert und damit die zugeordneten anschluß 9 liegende Spannung ist. Im nächsten Schalter 514 und 513 umgeschaltet. Solange das Zyklus wird über die Steuerschaltung 8 Schalter 59 analoge Eingangssignal positiv bleibt, bleibt auch der betätigt. Am Bezugsanschluß 23 des Vergleichers 10 mit der Vorzeichenstelle des Registers 15 verbundene liegt eine Spannung von —2,03125 Volt, die höher Schalter 514 im eingeschalteten Zustand. Falls der 35 als die Spannung am Summenanschluß 9 ist. Somit Vergleicher 10 im ersten Zyklus ein negatives Analog- wird auch Schalter 59 zurückgestellt. Im nächsten signal am Eingang 5 feststellt, wird Schalter 514 nicht Zyklus wird Schalter 58 betätigt. Da die Spannung umgeschaltet, und in der Vorzeichenstelle bleibt eine 0 am Bezugsanschluß 23 von —1,95313 Volt geringer gespeichert. Im Falle eines positiven Analogsignals als die am Summenanschluß 9 liegende Spannung ist, wird die Spannung am Summenanschluß 9, bezogen 40 bleibt Schalter 58 eingeschaltet. Nach anschließender auf den Analogsignaleingang, gleich der negativen Betätigung des Schalters 57 liegt am Bezugsannumerischen Differenz zwischen den über den Schalter Schluß 23 eine Spannung von —1,99219 Volt, d. h., 514 angelegten —5 Volt und der vom positiven Analog- der Vergleicher 10 stellt Schalter 57 wieder zurück. Bei signal gebildeten Spannung. Die negative numerische der anschließenden Betätigung des Schalters S6A Differenz entspricht dem echten Analogwert des 45 wird am Bezugsanschluß 23 eine Spannung von Zweierkomplementes der positiven Spannung. —1,97266 Volt, immer bezogen auf den Eingang,

Es sei im folgenden angenommen, daß einmal ein hervorgerufen. Der Vergleicher stellt auch diesen positives Analogsignal von +3,031 und dann ein Schalter in seine Ausgangsstellung zurück. Nach entsprechendes negatives Analogsignal umgesetzt diesem Zyklus bleibt die vom Umsetzer 6 gebildete werden soll. In den F i g. 2 und 3 sind die Umsetzungs- 50 Spannung am Bezugsanschluß 23 fest und dient schritte tabellarisch aufgezeichnet. Zu Beginn sind alle während der weiteren, vom Umsetzer 7 durchge-Spannungsquellen ausgeschaltet, und der Vergleicher führten Umwandlungsschritte als Bezugsspannung, befindet sich im Gleichgewicht. Anschließend wird Die Steuerschaltung 8 betätigt nunmehr die Schalter

die Stromversorgungsquelle 11 und die Steuer- S6B und S6D gleichzeitig. Die sukzessive Approxischaltung 8 aktiviert. Die Steuerschaltung 8 leitet den 55 mation wird fortgesetzt, wobei am Summenanschluß ersten Zyklus ein, in dem das Vorzeichen des analogen eine Spannung von —1,98853 Volt und am Bezugs-Eingangssignals festgestellt wird. Die Spannung am anschluß 23 die nunmehr festgehaltene Spannung von Summenanschluß 9, bezogen auf den Analogeingang, —1,97266 Volt liegt. Da die Spannung am Summenbeträgt also im betrachteten Beispiel +3,031 Volt. anschluß größer als die am Bezugsanschluß ist, stellt Am Bezugsanschluß 23 liegt noch die Spannung 0 Volt. 60 der Vergleicher den Schalter S6B zurück. Der Der Vergleicher 10 stellt den positiven Wert des Schalter S6D wird nicht zurückgestellt; dieser Schalter analogen Eingangssignals fest. Die Steuerschaltung 8 liefert in allen Fällen ein Leerbit. Das Leerbit beleitet den zweiten Zyklus ein und schaltet dabei den wirkt, daß die Spannung am Bezugsanschluß 23 der Vorzeichenstelle des Registers 15 zugeordneten negativer als die Spannung am Summenanschluß ist. Schalter 514 ein und schaltet auch den Schalter 513 65 Deshalb kann infolge des Betriebes zweier Register vom Massepotential auf das Potential der Stromver- keine Zweideutigkeit entstehen, und nachfolgende sorgungsquelle um. Die Spannung am Summenan- Vergleiche können auf der Basis eines bekannten Schluß 9 beträgt nunmehr —1,969 Volt, ist also gleich Polaritätszusammenhanges durchgeführt werden. Die

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Steuerschaltung 10 betätigt nunmehr nacheinander die weiteren Schalter, bis der Vergleicher schließlich feststellt, ob der letzte Schalter 50 rückgestellt werden muß oder nicht. Die auf diese Weise gebildeten Bits werden in den Registern 14 und 15 gespeichert und dem Computer 21 zugeführt.

Im Computer wird das DdD-Mt zum Inhalt des Registers 14 addiert und dann der Wert im Register 15 vom Gesamtwert im Register 14 subtrahiert. Das Ergebnis ist die digitale Darstellung von +3,031 Volt. Die in den Registern gespeicherten Werte sind in der folgenden Zusammenstellung angegeben:

	S	13	12	11	10	9	8	7	6A	6Z)	6S	5	4	3	2	1	0
Register 14	1	0	1	1	0	0	1	0	0	Λ		0	0	0	0	0	0
									1
Register 15	0	0	0	0	0	0	0	0			0	0	0	1	1	0	0
Summe	1	0	1	1	0	0	1	0			0	1	1	0	1	0	0

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Umsetzers ist bei der Umsetzung eines negativen Analogsignals ähnlich wie bei der beschriebenen Umsetzung eines positiven Analogsignals. Dies ergibt sich aus der F i g. 3. In diesem Fall betätigt der Vergleicher 10 nicht den Schalter S14, und in der Vorzeichenstufe des Registers 15 wird keine »EINS« gespeichert. Die auf den Eingang bezogene Spannung am Summenanschluß 9 bleibt bis zur Betätigung des Schalters S6A einschließlich gleich der analogen Eingangsspannung, Die ebenfalls auf den Eingang bezogene Spannung am Bezugsanschluß 23 wird durch sukzessive Approximation so verändert, bis sie etwa gleich der analogen Eingangsspannung ist. Anschließend wird die Spannung am Summenanschluß 9 durch Betätigung der Schalter S6B bis SO sukzessiv mit der konstant gehaltenen Spannung am Bezugsanschluß 23 des Vergleichers verglichen.

Gemäß der Erfindung wird der erste Umsetzer 6 zusammen mit Vergleicher 10 und Register 14 zunächst als Analog-Digital-Umsetzer verwendet und anschließend der gebildete Digitalwert im zugeordneten Register gespeichert. Dieser gespeicherte Digitalwert wird anschließend als Bezugswert für den zweiten Digital-Analog-Umsetzer 7 verwendet. Die Geschwindigkeit, mit der eine Analog-Digital-Umsetzung eines Eingangssignals erfolgt, wird durch die in T6T und D6B eingefügte Redundanz vergrößert. Die Vorteile des Umsetzersystems hinsichtlich Geschwindigkeit und Kosten werden durch eine Anzahl von Faktoren hervorgerufen, die mit der Einstellzeit der verwendeten Vergleicher und dem Gebrauch der genannten, zusätzlichen Bits zusammenhängen. Die Einstellgeschwindigkeit von Vergleichern steht im umgekehrten Verhältnis zu der Differenz Δ Ε der zugeführten Signale. Ist Δ E klein (beispielsweise kleiner als etwa 200 \jN), dann benötigt der Vergleicher etwa 5 bis lO^sec, um yom gesättigten in den ungesättigten Zustand zu gelangen. Die genannten überzähligen Bits gewährleisten nicht nur richtige Polaritätsyerhältnisse, sondern führen auch ein festes, digitales Fehlersignal ein, durch das die Entscheidung des Vergleichers beschleunigt wird. Dies wird offenkundig, wenn man die in den Schritten 10 bis 16 der zweiten und dritten Spalte in F i g. 2 vorhandenen Unterschiede vergleicht mit der fortlaufenden Folge von sich vermindernden Unterschieden, die bei einfachen 14stelligen Wandlern auftreten wurden. Es sind zwar andere Mittel anwendbar, um die Einstellzeit des Vergleichers zu verringern, aber das erfindungsgemäße Umsetzersystem bietet diesen Vorteil, ohne wesentliche Erhöhung der Kosten.

Obwohl nicht vorausgesetzt, wird die Betätigung jeweils zweier aufeinanderfolgender Schalter normalerweise ungefähr gleichzeitig vorgenommen. Aus der

»ο möglichst vereinfachten Beschreibung könnte man entnehmen, daß eine Spannung zunächst abgeschaltet und dann die nächste Spannung an den Summenanschluß oder den Bezugsanschluß angelegt werden würde. Es liegt aber auf der Hand, daß Strom- oder Spannungsspitzen durch die Schaltvorgänge zwischen den einzelnen Zyklen möglichst vermieden werden müssen. Man wird deshalb die bekannten Methoden zur Vermeidung dieser Schaltspitzen anwenden.

Wie ausgeführt, enthält der erfindungsgemäße Umsetzer eine stabilisierte Stromversorgungsquelle 11, die eine konstante Ausgangsspannung liefert, und Widerstands-Kettenleiter, die eine Spannungsabstufung bewirken. Ein Umsetzer gemäß der Erfindung kann auch mit reinen Stromquellen und mit stromabstufenden Kettenleitern ausgerüstet sein. In diesem Fall muß aber für jede Registerstufe eine Stromquelle vorgesehen werden. Das hier beschriebene Umsetzersystem kann unter Verwendung von Konstantstromquellen oder unter Verwendung von Konstant-Spannungsquellen aufgebaut werden. Werden Stromquellen verwendet, so werden diese einzeln mit den verschiedenen Anschlüssen des entsprechenden Kettenleiters verbunden. Sowohl bei Verwendung von Spannungs- als auch von Stromquellen ist jeweils nur eine stabilisierte Versorgungsquelle erforderlich; zusätzliche und in jedem Fall erforderliche Energiequellen brauchen weder stabilisiert noch besonders genau zu sein und können beispielsweise Teil der zentralen Energieversorgung des Computers sein.

Derartige nichtstabilisierte Energiequellen verursachen nur minimale Kosten. Negative analoge Eingängssignale werden nach der erforderlichen Subtraktion im Computer stets in der korrekten binären Form dargestellt, während positive analoge Eingangssignale als Zweierkomplement dargestellt werden, falls eine negative Bezugsspannungsquelle verwendet wird. Bei Verwendung einer positiven Bezugsspannungsquelle werden positive analoge Eingängssignale in der korrekten Binärform dargestellt, und die negativen analogen Eingangssignale erscheinen als Zweierkomplement.

Wie in F i g. 1 dargestellt, enthält der Abschnitt 12 des Widerstands-Kettenleiters 17 etwas unregelmäßige Widerstandswerte. Diese Werte sind so gewählt, daß

6s sich in den unteren Stellen der zu bildenden Binärzahl eine bessere Linearität ergibt.

Der Analog-Digital-Umsetzer gemäß der Erfindung erfordert trotz seines hohen Auflösungsver-

mögens und seiner hohen Umsetzungsgeschwindigkeit nur geringe Kosten. Wesentlich am erfindungsgemäßen Umsetzer ist, daß zwei Digital-Analog-Umsetzer verwendet werden, wobei der eine zunächst als Analog-Digital-Umsetzer und anschließend unter Verwendung des dabei gebildeten Wertes als Digital-Analog-Umsetzer dient. Der erfindungsgemäße Analog-Digital-Umsetzer erfordert für bipolare Betriebsweise lediglich eine unipolare Bezugsspannungsquelle. Der Geschwindigkeits-Kostenfaktor der erfindungsgemäßen Umsetzer ist etwa 50% günstiger als bei bekannten Analog-Digital-Umsetzern.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung unter Anwendung des sukzessiven Approximationsprinzips mit HiHe eines Digital-Analog-Kettenleiterumsetzers, dessen den Stellenwertigkeiten zugeordnete Digitalstufen über eine Steuerschaltung nacheinander aufgerufen werden und dessen Analogausgang mit einem Eingang eines Vergleichers verbunden ist, dessen anderer Eingang als Analogsignaleingang dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogausgang eines ersten, den höheren Stellenwerten zugeordneten D/A-Umsetzers (6) dem einen Eingang [Bezugsanschluß (23)] und der Analogausgang eines zweiten, den niedrigeren Stellenwerten zugeordneten D/A-Umsetzers (T) dem anderen, gleichzeitig über ein Summierglied den Analogsignaleingang (5) bildenden Eingang [Summenanschluß (9)] des Vergleichers (10) zugeführt werden, und daß zunächst der Analogausgangswert des ersten D/A-Umsetzers (6) am Bezugsanschluß (23) stufenweise demAnalogeingangssignal am Summenanschluß (9) angenähert, anschließend der am Bezugsanschluß (23) eingestellte Analogwert festgehalten und schließlich die Summe des Analogeingangssignals und des nunmehr stufenweise veränderten Analogausgangswertes des zweiten D/A-Umsetzers (7) am Summieranschluß (9) dem Analogwert am Bezugsanschluß (23) angeglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden D/A-Umsetzern eine gemeinsame, unipolare, stabilisierte Stromversorgungsquelle (11) als Bezugswertquelle zugeführt wird, und daß im zweiten D/A-Umsetzer (7) eine Vorzeichenstelle (£>14) vorgesehen ist, aus welcher dann, wenn am Summenanschluß (9) und am Bezugsanschluß (23) entgegengesetzte Polaritäten vorherrschen, dem Summenanschluß (9) ein Komplement bezüglich der Basis des jeweiligen Digitalsystems entsprechender Analogwert zugeführt wird, und daß die Analog-Digital-Umsetzung in komplementärer Form durchgeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten D/A-Umsetzer (6) eine zusätzliche Leer-Stufe (S6D) vorgesehen ist, in welcher nach abgeschlossenem Zyklus dieses Umsetzers eine zusätzliche Ziffer zum erhaltenen Digitalwert addiert wird, daß der Analogausgangswert am Bezugsanschluß (23) während des anschließenden Zyklus des zweiten D/A-Umsetzers (T) auf einen größeren Wert als die am Summenanschluß (9) auftretenden Analogwerte erhöht wird, und daß nach der Umsetzung der gespeicherte Digitalwert des zweiten D/AWandlers von dem des ersten D/A-Wandlers subtrahiert wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogausgangsspannung des zweiten D/A-Umsetzers (T) über ein Dämpfungsglied (12) zu dem Summenanschluß (9) geleitet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen