DE1295631B - Vorrichtung zur Umsetzung der Amplitude eines sich aendernden Analogsignals in digitale Codekombinationen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung erweitert, die von der digitalen Schaltung abgegeben zum Umsetzen der Amplitude eines sich ändernden werden können und den Wert der Änderung anzeigen. Analogsignals in digitale Codekombinationen mit Über den zwischen dem Eingang für das Analog-

einem mehrere Quantisierungsbereiche umfassenden signal und dem Eingang des Umsetzers angeordneten Meßbereich, bei der die in einen dieser Quantisie- 5 Rechenverstärker kann eine Verstärkung eingestellt rungsbereiche fallende Teilamplitude des Analog- werden, die sich nach den jeweiligen Erfordernissen signals in den Meßbereich eines Analog-Digital-Um- und den Parametern des Systems richtet. Wenn es setzers fällt und durch diesen codiert wird und dieser z. B. erwünscht ist, den erweiterten dynamischen BeCode mit der digitalen Angabe des betreffenden reich lediglich dazu zu verwenden, es dem Analog-Quantisierungsbereichs zu einem einzigen digitalen io Digital-Umsetzer zu ermöglichen, analoge Signale in Datenwort kombiniert wird. digitale Codekombinationen umzusetzen, deren Span-

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird nungsbereich größer ist als derjenige des Umsetzers, das sich ändernde Analogsignal periodisch mit einer kann man einen Verstärker mit der Verstärkung 1 Reihe von bestimmten Signalwerten verglichen. Ein verwenden. Wenn es jedoch erwünscht ist, den dyna-Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß das Analogsignal 15 mischen Bereich des Umsetzers zu dem Zweck zu erjedesmal mit der ganzen Reihe von bestimmten weitern, kleine Signale innerhalb des normalen Ein-Signalwerten verglichen werden muß, bis der Quanti- gangsspannungsbereichs des Umsetzers genau nachsierungsbereich, in welchem das Analogsignal sich be- zuweisen und in digitale Codekombinationen umzufindet, gefunden wird. Wenn z. B. das Analogsignal setzen, verwendet man einen Verstärker, dessen Verwährend mehrerer aufeinanderfolgenden Messungen 20 Stärkung sich von 1 unterscheidet. Das Ausgangsdie Grenzen eines der Quantisierungsbereiche nicht signal des Verstärkers wird kontinuierlich durch den überschreitet, ist damit trotzdem jedesmal die ganze Schwellwertdetektdr überwacht, der jedesmal dann Reihe der Vergleichsmessungen auszuführen, bis der ein besonderes Ausgangssignal erzeugt, wenn das Quantisierungsbereich gefunden ist. überwachte Signal einen vorbestimmten Wert über-

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfachere und 25 schreitet, der vorzugsweise gleich dem maximalen Sischneller arbeitende Vorrichtung zum Umsetzen der gnal ist, das dem Umsetzer zugeführt werden darf Amplitude eines sich ändernden Analogsignals in oder das etwas kleiner ist als dieses maximal zulässige digitale Codekombinationen zu schaffen. Signal. Die Ausgangssignale des Schwellwertdetektors

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, ausgehend werden mit Hilfe eines digitalen Zählers gezählt, der von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art, 30 das Quantisieren des analogen Eingangssignals für gelöst durch einen Kompensator, welcher die Größe das System in festen digitalen Schritten und in der der durch den Umsetzer zu codierenden Teilampli- Weise steuert, daß das in dem Zähler festgehaltene tude mit den Grenzen des in den Meßbereich des Zählergebnis den Wert des Quantisierungsbereichs Umsetzers fallenden Quantisierungsbereichs vergleicht anzeigt. Vorzugsweise ist die Änderung der Größe und beim Überschreiten dieser Grenzen das Analog- 35 des Ausgangssignals des Verstärkers, die durch jeden signal in solchem Maße kompensiert, daß die vom der erwähnten Schritte bewirkt wird, gleich der Umsetzer zu codierende Teilamplitude wieder zwi- Größe des dem Umsetzer maximal zuzuführenden sehen die Grenzen des Quantisierungsbereichs fällt. Eingangssignals, so daß die digitale Darstellung der wobei jede Kompensierung direkt in den die Quanti- Größe des Quantisierungsbereichs, in welchem das sierungsbereiche indizierenden Teil des digitalen 40 Eingangssignal sich befindet, direkt mit dem Aus-Datenworts eingetragen wird. gangssignal des Analog-Digital-Umsetzers kombiniert Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden kann, so daß man ein einziges digitales Datenergeben sich aus den Unteransprüchen. wort erhält, wobei das digitale Ausgangssignal des Der Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung ist, Zählers den bedeutsamsten Ziffern des Datenworts daß jede Veränderung des Quantisierungsbereichs, in 45 entspricht.

welchem sich das Analogsignal befindet, direkt signa- Die Erfindung wird im folgenden an Hand schema-

lisiert und notiert wird. Das erfindungsgemäße System tischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ermöglicht es somit, den dynamischen Bereich eines näher erläutert.

Analog-Digital-Umsetzers zu erweitern, und zwar da- F i g. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System in

durch, daß kontinuierlich die Größe der dem Um- 50 einem Blockdiagramm;

setzer zugeführten Eingangsspannung festgestellt F i g. 2 umfaßt zwei graphische Darstellungen, die

wird, daß die Eingangsspannung quantisiert wird, ein dem System zugeführtes analoges Eingangssignal d. h. daß ihr Gleichstrompegel geändert wird, und bzw. das gleiche Signal in derjenigen Form zeigen, in zwar um eine feste bekannte Größe, wobei diese welcher es am Ausgang des Funktionsverstärkers erÄnderung jedesmal dann erfolgt, wenn die Größe der 55 scheint, nachdem es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Eingangsspannung einen vorbestimmten Wert über- Einrichtung entsprechend festen Schritten versetzt schreitet, um die Eingangsspannung im Eingangs- worden ist;

Spannungsbereich des Analog-Digital-Umsetzers zu F i g. 3 zeigt eine bevorzugte Ausbildungsform der

halten, und daß dann ein digitales Signal, das den Erfindung mit weiteren Einzelheiten. Wert des Quantisierungsbereichs repräsentiert, mit 60 In F i g. 1 erkennt man einen Analog-Digital-Umdem digitalen Ausgangssignal des Umsetzers kombi- setzer 1 beliebiger Bauart, der geeignet ist, ein ananiert wird, so daß man ein einziges digitales Daten- loges Eingangssignal in ein mehrere Ziffern oder Stelwort erhält. Bei dieser Anordnung repräsentieren die len umfassendes binäres Ausgangssignal umzusetzen, zusätzlichen digitalen Signale, die dem Gesamtwert Die Ausgangssignale des Umsetzers 1 repräsentieren des verwendeten Quantisierungsbereichs entsprechen, 65 in der üblichen Weise die digitalen Bits, die parallel die bedeutsamsten Ziffern des digitalen Datenworts, dem Eingang einer Speichervorrichtung, ζ. Β. einem d. h., der effektive dynamische Bereich des Umsetzers Registriergerät 2, über mehrere Ausgangsleitungen 3_n wird um die Zahl der zusätzlichen digitalen Signale bis 3„ zugeführt werden, deren Zahl der Zahl der Bits

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in dem binären Ausgangswort des Umsetzers ent- Größe des Ausgangsspannungssignals des Verstärkers 5 spricht. Die in digitale Codekombinationen umzuset- einen vorbestimmten Schwellwert F₇- überschreitet, zende analoge Eingangsspannung wird dem System Diese Schwellspannung wird so gewählt, daß sie im von einer hier nicht gezeigten Signalquelle aus über Eingangsspannungsbereich des Umsetzers 1 liegt, d. h, eine Eingangsklemme 4 zugeführt. Zwischen der Ein- 5 unter der Größe des maximalen Eingangssignals, das gangsklemme 4 und dem Eingang des Umsetzers liegt dem Umsetzer zugeführt werden darf, sowie unter ein Gleichstrom- oder Funktionsverstärker 5, der dem Wert des maximal möglichen Ausgangssignals einen Summierungsknotenpunkt 6 umfaßt. Der Ver- des Verstärkers 5, d. h. unter dem Sättigungswert, stärker 5 arbeitet mit einem festen Gewinn, der auf Jedesmal wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 5 einen Wert eingestellt wird, welcher sich nach den io den Schwellwert überschreitet und abhängig davon, Parametern des Systems sowie danach richtet, auf ob der negative oder der positive Schwellwert überweiche Weise der dynamische Bereich erweitert wer- schritten worden ist, erzeugt der Schwellwertdetektor den soll. An den Summierungsknotenpunkt 6 sind 12 ein Ausgangssignal, das entweder in der Ausgangsmehrere Quellen 7 für eine Gleichspannung ange- leitung 14 oder in der Ausgangsleitung 15 erscheint schlossen, die gemäß einer binären Progression vor- 15 und die Zählersteuerschaltung 13 veranlaßt, das Zählzugsweise so eingestellt werden, daß die Größe der ergebnis in dem binären Zähler 9 um eine binäre Ein-Spannung, welche den am wenigstens bedeutsamen heit zu verändern, und zwar entweder nach oben oder Wert innerhalb der binären Progression repräsentiert, nach unten, um so den Wert der Spannung zu ändern, den Gleichstrompegel des Eingangssignals für den die dem Eingangssignal hinzugefügt wird, um das Verstärker 5 um einen Betrag verändert, der aus- 20 Ausgangssignal des Verstärkers 5 im Eingangsspanreicht, um zu bewirken, daß sich der Gleichstrom- nungsbereich des Umsetzers 1 zu halten. Da die pegel des Ausgangssignals des Verstärkers 5 um einen Änderung der dem Eingangssignal beigefügten ver-Betrag ändert, welcher gleich der Größe des dem setzten Spannung, die, wie schon erwähnt, zwischen Umsetzer 1 maximal zuzuführenden Eingangssignals aufeinanderfolgenden Schritten oder binären Zählist. Wenn z.B. der Eingangsspannungsbereich des 25 ergebnissen hinzugefügt wird, eine Änderung des AusAnalog-Digital-Umsetzers ± 10 V beträgt, muß die gangssignals des Verstärkers 5 gleich der Größe des Größe der Spannung, welche die am wenigsten be- dem Umsetzer maximal zuführbaren Eingangssignals deutsame Ziffer in der binären Progression repräsen- bewirkt, repräsentiert das Zählergebnis in dem binätiert, ausreichen, um das analoge Eingangssignal um ren Zähler 9 ständig die bedeutsamsten Ziffern eines einen Betrag zu ändern, der ausreicht, um eine Ände- 30 binären digitalen Datenwortes, das seinerseits die rung des Ausgangssignals des Verstärkers 5 um 10 V augenblickliche Amplitude des analogen Eingangszu bewirken. signals darstellt; mit anderen Worten, dem Umsetzer 1

Der jeweilige Wert der Spannung, die dem Ein- wird ein Teil der Spannung innerhalb der am weniggangssignal zugeführt wird bzw. die Zahl der binär sten bedeutsamen Ziffer des binären Zählers 9 zugebewerteten Spannungsquellen 7, die an den Summie- 35 führt. Auf diese Weise wird der dynamische Bereich rungsknotenpunkt 6 angeschlossen sind, wird durch des Umsetzers 1 praktisch um die Zahl der Ziffern ereine Regelschaltung 8 geregelt, die im wesentlichen weitert, die an den Ausgängen des Zählers 9 erscheieine gesonderte Schaltvorrichtung für jede der Span- nen. Damit das vollständige binäre digitale Wort, das nungen umfaßt, sowie durch einen binären Zähler 9, die Amplitude des anolagen Eingangssignals an der der mindestens so viele Stufen umfaßt, wie Quantisie- 40 Klemme 4 repräsentiert, registriert werden kann, sind rungsbereiche in der erwähnten binären Progression die Ausgänge des Zählers 9 durch Leitungen 16, 17 enthalten sind. Jede Stufe des binären Zählers 9 und 18 mit gesonderten Eingängen des Registriergesteuert über den zugehörigen Schalter der Regelschal- räts 2 verbunden, mittels dessen die Signale synchron tung 8 die Zuführung oder NichtZuführung der einen mit den dem Umsetzer 1 entnommenen Ziffern regientsprechenden Wert aufweisenden, binär bewerteten 45 striert werden, welch letztere den jeweiligen abge-Spannung zu dem Summierungsknotenpunkt 6, und tasteten Analogwert repräsentieren,
daher repräsentiert das angezeigte Zählergebnis des Auf welche Weise das Eingangssignal quantisiert binären Zählers 9 in jedem Zeitpunkt den binären und ein die Versetzung anzeigendes Zählergebnis fest-Wert der Spannung, die dem an der Klemme 4 er- gehalten wird, ist in F i g. 2 dargestellt, wo die obere scheinenden analogen Eingangssignal zugeführt wird. 50 Kurve α das analoge Eingangssignal und die untere Zusätzlich zu den Ausgangssignalen des Zählers 9, Kurve b das Ausgangssignal des Verstärkers 5 dardie das jeweilige Zählergebnis anzeigen, wird ein wei- stellt. Für die folgende Erläuterung sei angenommen, teres Ausgangssignal des Zählers verwendet, das die daß der Verstärker 5 einen Gewinn im Wert von 20 Polarität der jeweils angewendeten Spannung anzeigt, hat, daß die Schwellspannung 10 V beträgt und daß so daß das System sowohl bei bipolaren als auch bei 55 die Ausgangsspannung des Verstärkers 5 in 10-V-unipolaren Eingangssignalen benutzt werden kann, Stufen aufgeteilt wird. Wenn gemäß F i g. 2 das Eind. h. sowohl bei analogen Eingangssignalen in Form gangssignal bei a_x den Wert von 0,5 V erreicht, übervon Wechselströmen als auch bei Signalen in Form schreitet das Ausgangssignal des Verstärkers 5 einen von Gleichströmen. negativen Schwellwert b_v so daß der Schwellwert-

Um das Zählergebnis in dem Zähler 9 und damit 60 detektor 12 der Leitung 15 ein Ausgangssignal zuauch den Betrag der Spannung zu regeln, die dem führt, um den Zähler 9 zu veranlassen, sein Zähl-Eingangssignal an der Klemme 4 zugeführt wird, sind ergebnis um eine binäre Ziffer zu vergrößern, und um ein Schwellwertdetektor 12 und eine Zählersteuer- die Spannungsregelschaltung 8 einzuschalten, damit schaltung 13 vorgesehen. Der Schwellwertdetektor 12 die erste Spannung in dem binären Satz dem Ein ist an den Ausgang des Verstärkers 5 angeschlossen, 65 gang 4 zugeführt wird, um die Eingangsspannung um und er überwacht kontinuierlich das Ausgangssignal einen Betrag zu ändern, der einen Abfall des Ausdes Verstärkers 5, um ein Ausgangssignal, und zwar gangssignals des Verstärkers 5 um 10 V zu bewirken, einen Impuls, jedesmal dann zu erzeugen, wenn die so daß man das Signal b( erhält, d. h. daß der

Gleichstrompegel sowohl des Eingangssignals als auch des Ausgangssignals des Verstärkers 5 geändert wird. Die Ausgangsspannung b folgt dann weiterhin dem analogen Eingangssignal, bis die positive Schwellspannung F₇- überschritten wird, wie es in F i g. 2 bei b₂ dargestellt ist. Dies geschieht im vorliegenden Fall dann, wenn das Eingangssignal bei a₂ den Wert Null erreicht hat. In diesem Zeitpunkt erzeugt der Schwellwertdetektor 12 ein Ausgangssignal, das in der Leitung 14 erscheint, so daß der Zähler 9 veranlaßt wird, sein Zählergebnis um eine Einheit in einer Richtung zu verändern, die der vorher geltenden Richtung entgegengesetzt ist, so daß das Zählergebnis wieder auf Null zurückgeführt wird. Außerdem veranlaßt der Zähler 9 die Spannungsregelschaltung, die Spannung zu ändern, die vorher in Abhängigkeit von dem zuerst nachgewiesenen Schwellwertsignal zugeführt wurde. An diesem Punkt findet keine Änderung des Eingangssignals statt. Wenn das Eingangssignal α weiter in der negativen Richtung zunimmt, wird ein zweiter Schwellwert b₃ erreicht, sobald das Signal α bei a₃ den Wert von — 0,5 V überschreitet. Hierdurch wird der Schwellwertdetektor 12 erneut veranlaßt, der Leitung 14 ein Ausgangssignal zuzuführen, damit der binäre Zähler das Zählergebnis 1 registriert und außerdem sein Vorzeichenbit ändert, so daß das angezeigte Zählergebnis — 1 lautet und das Eingangssignal durch das Hinzufügen einer negativen Spannung geändert wird. Das Ausgangssignal folgt dann weiter dem der Klemme 4 zugeführten Eingangssignal, bis der nächste Schwellwert b_i überschritten wird; danach wiederholen sich die soeben beschriebenen Vorgänge. Bei dieser Anordnung repräsentiert das Zählergebnis in dem binären Zähler 9, wie schon erwähnt, die bedeutsamsten Ziffern des Ausgangssignals des Umsetzers 1, und die die Ziffern des Zählergebnisses im Zähler 9 repräsentierenden Signale brauchen nur mit den Ausgangssignalen des Umsetzers 1 kombiniert oder dazuaddiert zu werden, damit man das einzelne binäre digitale Datenwort erhält. Wenn z. B. der Umsetzer 1 das Signal b im Punkt b_s abtastet, erzeugt der Umsetzer ein Ausgangssignal, das in digitaler Form ein Eingangssignal von etwa — 5 V anzeigt. Jedoch zeigt das Ausgangssignal des binären Zählers 9 ein Zählergebnis von —1 an, und da diese Ziffer den maximalen oder vollständigen Bereich des Umsetzers repräsentiert, kann die zusätzliche Ziffer direkt als bedeutsamste Ziffer zu dem digitalen Ausgangswort addiert werden. Auf diese Weise wird ein digitales Wort erzeugt, das den Wert von —15 V repräsentiert, d. h. den wahren Wert des Ausgangssignals des Verstärkers 5. Wenn der Umsetzer 1 das Ausgangssignal des Verstärkers 5 in einem Zeitpunkt abtastet, in welchem sich die angezeigten Polaritäten der Ausgangssignale des Zählers 9 und des Umsetzers 1 unterscheiden, z. B. im Punkt b_e, würde es nicht genügen, die Ausgangsziffern des Zählers 9 direkt den Ausgangsziffern des Umsetzers 1 voranzustellen. In diesem Fall müssen die Signale auf bekannte Weise durch binäres Addieren der Signale kombiniert werden, um den Unterschied zwischen ihnen zu erhalten. Zwar wurde das System für den Fall beschrieben, daß nur zwei aufeinanderfolgende Änderungsschritte innerhalb jeder Folge durchgeführt werden, doch sei bemerkt, daß sich die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. In Fig. 2 sind z. B. bei b₇ drei aufeinanderfolgende Änderungsschritte dargestellt.

Nach dieser Folge von drei aufeinanderfolgenden Änderungen zeigt der Zähler 9 das Zählergebnis —2 an, aus dem ersichtlich ist, daß die Größe des Ausgangssignals des Verstärkers 5 über 20 V liegt und daß daher die Größe des Eingangssignals an der Klemme 4 unter — 1 V liegt.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausbildungsform der Erfindung mit weiteren Einzelheiten dargestellt. Diagrammblöcke, die die gleichen Aggregate bezeichnen wie in Fig. 1, sind in Fig. 3 jeweils mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Gemäß F i g. 3 wird die an der Eingangsklemme 4 erscheinende analoge Eingangsspannung V_in dem Summierungsknotenpunkt 6 des Verstärkers 5 über einen Eingangswiderstand 20 zugeführt. Der Gewinn des Verstärkers 5 wird dann dadurch auf einen festen Wert eingestellt, daß man das Verhältnis zwischen dem Widerstand 20 und dem Verstärkerrückkopplungswiderstand 21 entsprechend einstellt. Mit dem Summierungsknotenpunkt 6 des Verstärkers 5 ist ferner die gemeinsame Verbindung zwischen mehreren Widerständen 22 bis 26 verbunden, die zu einem binär bewerteten Summierungsnetzwerk geschaltet sind, wobei die Widerstandswerte R bzw. R/2 bzw. R/4 bzw. R/8 bzw. R/16 betragen. Das andere Ende jedes der Widerstände 22 bis 26 ist über einen von mehreren Transistorschaltern S₄ bis S_E und eine gemeinsame Leitung 27 an eine Bezugsgleichspannungsquelle angeschlossen, die im vorliegenden Fall die negative Bezugsspannung — V_ref liefert. Die Quelle für die Bezugsspannung und die ihr zugeordneten binär bewerteten Widerstände bilden somit praktisch mehrere binär bewertete Stromquellen, wenn man sie bezüglich des Verstärkereingangs betrachtet, so daß diese Stromquellen die Versetzung des Eingangssignals für den Verstärker 5 bewirken können. Wie schon an Hand von Fig. 1 beschrieben, wird der Widerstand22 so eingestellt, daß der dem Eingang des Verstärkers 5 über diesen Widerstand zugeführte Strom eine Änderung des Gleichstrompegels des Ausgangssignals des Verstärkers 5 gleich der Größe maximal zulässigen Eingangssignals für den Analog-Digital-Umsetzer 1 bewirkt.
Die Basis jedes der Transistorschalter S_A bis S_E ist mit dem Ausgang einer Hälfte von mehreren Flip-Flop-Schaltungen A bis E verbunden, die so geschaltet sind, daß sie ein binäres Register bzw. einen Zähler bilden. Gemäß F i g. 3 sind die Transistorschalter an den Ausgang des rechten Teils der zugehörigen Flip-Flop-Schaltungen A bis E angeschlossen, und sie sprechen auf ein negatives Ausgangssignal der rechten Seite der betreffenden Flip-Flop-Schaltung, d. h. auf das Zählergebnis 1 an, um die Spannungsquelle — V_TCl über den betreffenden Widerstand (22 bis 26) mit dem Summierungsknotenpunkt 6 zu verbinden. Um den Zähler, der durch die Flip-Flop-Schaltungen A bis E gebildet wird, zu veranlassen, das Zählergebnis entsprechend der Amplitude der Ausgangssignale des Verstärkers 5 in der an Hand von F i g. 1 beschriebenen Weise zu verändern, wird das Ausgangssignal des Verstärkers 5 kontinuierlich durch zwei Komparatoren 30 und 31 überwacht, bei denen es sich z. B. um Differenzverstärker handeln kann, oder um eine beliebige andere Schaltung, die immer dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn eine vorbestimmte, genau festgelegte Schwellspannung überschritten wird; dies ist z. B. bei einer Schmittschen Triggerschaltung der Fall. Der Differenzverstärker 30

führt gemäß F i g. 3 der Leitung 32 immer dann ein positives Ausgangssignal zu, wenn die Größe der Ausgangsspannung des Verstärkers 5 den Wert — F₇-überschreitet, und der andere Differenzverstärker 31 führt der Leitung 33 immer dann ein positives Ausgangssignal zu, wenn die Größe der Ausgangsspannung des Verstärkers 5 den Wert V_T überschreitet. Jedes in der Leitung 32 erscheinende Ausgangssignal wird über ein Und-Gatter 34, einen keine Umkehrung bewirkenden Antriebsverstärker 35 und eine Leitung 36 einem Eingang von mehreren Gattern 40 bis 43 zugeführt. Der andere Eingang des Gatters 40 ist kapazitiv mit dem Ausgang der linken Seite bzw. der Rückstellseite der Flip-Flop-Schaltung A, d. h. der Ausgangsklemme Ä~ gekoppelt, und der Ausgang des Gatters 40 ist über eine Oder-Schaltung 45 mit dem gemeinsamen Eingang der Flip-Flop-Schaltung B verbunden. Immer dann, wenn die Flip-Flop-Schaltung A in ihren Rückstell- oder Z-Zustand gebracht wird, erscheint ein negativer Ausgangsimpuls am linken Ausgang der Flip-Flop-Schaltung, der dann, wenn er im gleichen Zeitpunkt auftritt wie ein positives Signal in der Leitung 36, bewirkt, daß ein negativer Eingangsimpuls dem Eingang der Flip-Flop-Schaltung B zugeführt wird, um den Zustand dieser Schaltung zu ändern. Entsprechend liegen die Gatter 41 bis 43 zwischen den Ausgängen der linken Teile der Flip-Flop-Schaltungen B bis D und den gemeinsamen Eingängen der Flip-Flop-Stufe, d. h. der Flip-Flop-Schaltungen C bis E, und zwar über die Oder-Schaltungen 46 bis 48. Man erkennt ohne weiteres, daß jedes in Abhängigkeit von einem Signal des !Comparators 30 in der Leitung 36 erscheinende positive Signal die Gatter 40 bis 43 und damit auch den durch die Flip-Flop-Schaltungen A bis E gebildeten binären Zähler betätigt, so daß das durch die Ausgangssignale der Flip-Flop-Schaltungen repräsentierte Zählergebnis für jeden negativen Eingangsimpuls um eine binäre Einheit zunimmt, wenn ein solcher negativer Eingangsimpuls dem Eingang der Flip-Flop-Schaltung zugeführt wird, welche die am wenigsten bedeutsame Ziffer in dem binären Zähler repräsentiert, d.h. der Flip-Flop-SchaltungA. Entsprechend betätigt jedes positive Signal, das von dem Differenzverstärker 31 ausgeht und anzeigt, daß eine positive Schwelle überschritten worden ist, über die Leitung 33, die Und-Schaltung 50, den keine Umkehrung bewirkenden Antriebsverstärker 51, die Leitung 52 und die Gatter 53 bis 56 den durch die Flip-Flop-Schaltungen A bis E gebildeten binären Zähler, um das binäre Zählergebnis für jeden dem Eingang der Flip-Flop-Schaltung A zugeführten negativen Impuls um eine Einheit zu verkleinern.

Wie schon erwähnt, geht jedes eine Flip-Flop-Schaltung betätigende, in den Leitungen 36 oder 52 erscheinende Signal von einem Schwellwertsignal aus, das in einer der Leitungen 32 und 33 erscheint und die betreffende Und-Schaltung 34 oder 50 passieren muß. Um die Schaltungen 34 und 50 so einzustellen, daß sie die über die Leitungen 32 und 33 zugeführten Signale zu den Leitungen 36 und 52 durchlassen, sind die zweiten Eingänge der Gatter 34 und 50 an die Ausgänge von monostabilen Multivibratoren 60 und 61 angeschlossen. Die Eingänge dieser Multivibratoren sind mit den Leitungen 33 bzw. 32 verbunden. Die Ausgangssignale der Multivibratoren 60 und 61 werden normalerweise auf einen positiven Wert gehalten, und daher befinden sich die Und-Gatter 34 und 50 normalerweise in einem solchen Zustand, daß sie alle Ausgangssignale der Verstärker 30 und 31 durchlassen, die in den Leitungen 32 und 33 erscheinen, so daß diese Signale zu den zugehörigen Leitungen 36 und 52 zum Betätigen des binären Zählers gelangen. Wenn jedoch ein positives Signal, das anzeigt, daß ein Schwellwert überschritten worden ist, in der Leitung 32 oder der Leitung 33 erscheint, wird der entsprechend angeschlossene Multivibrator 60 oder 61 getriggert, so daß am Ausgang des getriggerten Multivibrators ein negativer Impuls erscheint. Dieser negative Impuls veranlaßt seinerseits das an den Ausgang des getriggerten Multivibrators angeschlossene Und-Gatter 34 oder 50, keine Befehlssignale für den binären Zähler durchzulassen. Die Multivibratoren 60 und 61 sowie die Und-Gatter 34 und 50 verhindern somit, daß in den Leitungen 36 und 52 gleichzeitig ein Aufwärtszähl- und ein Abwärtszähl-Befehlssignal erscheint. Zwar kann sich theoretisch eine solche Situation nicht ergeben, doch sei bemerkt, daß in der Praxis für das Umschalten der Flip-Flop-Schaltungen und daher auch für das Umschalten der Transistorschalter S_A bis S_E eine bestimmte Zeit benötigt wird und daß daher während des Schaltvorgangs während kurzer Zeitspannen falsche Gleichstrompegelversetzungen auftreten können. Dies könnte dazu führen, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 5 den Schwellwert überschreitet, dessen Polarität der Polarität des Schwellwertes entgegengesetzt ist, der den Schaltvorgang einleitete, so daß ein zweites Zählbefehlssignal erzeugt wird. Das Ausgangssignal des ursprünglich getriggerten Multivibrators verhindert jedoch, daß dies eintritt, denn die Betätigungsspannung wird von dem zugehörigen Und-Gatter während einer Zeitspanne abgeschaltet, die ausreicht, die Umschaltung der Flip-Flop-Schaltungen A bis E durchzuführen.

Die negativen Ausgangsimpulse der Multivibratoren 60 und 61 werden ferner über die Oder-Schaltung 63 und das Gatter 64 dem gemeinsamen Eingang der Flip-Flop-Schaltung A zugeführt, wo sie die normalen Eingangsimpulse bilden, die durch den die Flip-Flop-Schaltungen A bis E umfassenden binären Zähler gezählt werden. An den Eingang der Oder-Schaltung 63 ist ferner ein Zeitmarkengenerator 65 angeschlossen, mittels dessen ein Zug negativer Zeitmarkenimpulse erzeugt wird, auf dessen Zweck im folgenden näher eingegangen wird. Wenn das Gatter 64 die Ausgangsimpulse der Oder-Schaltung 63 zu der Flip-Flop-Schaltung A gelangen lassen soll, muß ein positives Signal in beiden Steuereingangsleitungen 66 und 67 dieses Gatters erscheinen. Die Steuereingangsleitung 66 ist an den Ausgang einer Oder-Schaltung 68 angeschlossen, die nur dann ein positives Ausgangssignal erzeugt, wenn ein Steuersignal in einer der Zählersteuerleitungen 36 und 52 erscheint. Somit betätigt die Oder-Schaltung 68 das Gatter 64 zum Durchlassen der Ausgangsimpulse der Oder-Schaltung 63 zu der Flip-Flop-Schaltung A nur dann, wenn einer der Differenzverstärker ein Ausgangssignal abgibt, das anzeigt, daß ein Schwellwert überschritten worden ist, und auf diese Weise wird verhindert, daß der Zustand der Flip-Flop-Schaltung A ständig durch die Ausgangsimpulse des Zeitmarkengenerators 65 geändert wird.

Das in der Gattersteuereingangsleitung 67 erscheinende Signal wird dem Analag-Digital-Umsetzer 1 entnommen und normalerweise auf einem positiven

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Wert gehalten, so daß das Gatter 64 normalerweise einen Eingangsimpuls immer dann zu der Flip-Flop-Schaltung A gelangen läßt, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 5 einen Schwellwert überschreitet. Wie schon erwähnt, folgt jedoch die erfindungsgemäße Schaltung kontinuierlich den Änderungen der Amplitude des der Klemme 4 zugeführten analogen Eingangssignals, und daher kann sich das durch die Ausgangssignale der Flip-Flop-Schaltungen A bis E repräsentierte Zählergebnis kontinuierlich ändern. Der Analog-Digital-Umsetzer 1 folgt jedoch andererseits in der üblichen Weise nicht kontinuierlich den Änderungen der Amplitude des ihm zugeführten Eingangssignals, sondern er tastet das Eingangssignal in bestimmten Zeitabständen ab. Damit daher die binären Ziffern, die durch die Ausgangssignale der Flip-Flop-Schaltungen A bis E repräsentiert werden, und die binären Ziffern am Ausgang des Umsetzers 1 die Amplitude des der Klemme 4 zugeführten analogen Eingangssignals im gleichen Augenblick repräsentieren, erzeugt der Umsetzer 1 einen Sperrimpuls bzw. einen negativen Impuls in der Leitung 67, während der Umsetzer gerade das analoge Eingangssignal abtastet und in digitale Codekombinationen umsetzt; somit veranlaßt der Sperrimpuls das Gatter 64, die Eingangsimpulse nicht zu der Flip-Flop-Schaltung A durchzulassen, so daß die Flip-Flop-Schaltungen A bis E ihren Zustand erst dann wieder ändern können, wenn der Umsetzer 1 den Umsetzungsvorgang beendet hat. Der in der Leitung 67 erscheinende negative Sperrimpuls dient ferner dazu, mehrere insgesamt mit 70 bezeichnete Ablesegatter zu betätigen, damit die Ausgangssignale der umgestellten Flip-Flop-Schaltungen A bis E synchron mit den Ausgangssignalen des Umsetzers 1 registriert werden. Gegebenenfalls ist es natürlich möglich, die Ausgangssignale der zurückgestellten Flip-Flop-Schaltungen an Stelle der Ausgangssignale der umgestellten Schaltungen zu registrieren.

Wenn während der Zeitspanne, während welcher ein Sperrimpuls in der Leitung 67 vorhanden ist, ebenfalls ein Impuls durch einen der Multivibratoren 60 und 61 in Abhängigkeit davon erzeugt würde, daß ein Schwellwert überschritten wird, so verhindert, wie schon erwähnt, das Gatter 64, daß dieser Impuls des Multivibrators zu der Flip-Flop-Schaltung A gelangt. Hierdurch wird verhindert, daß die richtige Versetzung auf den Eingang des Verstärkers 5 geschaltet wird, und ferner wird verhindert, daß der jeweils eingeschaltete Differenzverstärker 30 oder 31 in seinen Ruhezustand zurückkehrt. Da die Änderung des Zustandes der Differenzverstärker über die Multivibratoren bewirkt, daß der Schrittschaltimpuls für den binären Zähler erzeugt wird, und da beim Fehlen der Hinzufügung der richtigen Versetzungsspannung keine Änderung des Zustandes des betreffenden Differenzverstärkers möglich ist, müssen geeignete Vorkehrungen getroffen werden, um der Flip-Flop-Schaltung A auf künstlichem Wege einen Impuls zuzuführen, und zwar entsprechend dem Aufwärts- oder dem Abwärtszählbefehl am Ende des Sperrimpulses. Wenn der Sperrimpuls endet, erzeugt der betreffende Differenzverstärker, der vorher den Multivibrator veranlaßte, einen Ausgangsimpuls zu erzeugen, immer noch einen Ausgangssignalpegel, und daher werden die Zählerbetätigungsgatter 40 bis 43 oder 53 bis 56 weiter betätigt, doch steht kein Eingangsimpuls zur Verfügung, um die Multivibratoren umzuschalten.

Wenn der Sperrimpuls endet, wird somit der Ausgangsimpuls des Zeitmarkengenerators 65 der Flip-Flop-Schaltung A zugeführt, um das darin enthaltene Zählergebnis zu ändern.

Die logische Schaltung zum Regeln des Zählergebnisses, die durch die Flip-Flop-Schaltungen A bis E gebildet wird, umfaßt außerdem zwei zusätzliche Und-Gatter 71 und 72, deren Ausgänge mit der umgestellten Seiten bzw. der zurückgestellten Seite? der Flip-Flop-Schaltung A verbunden sind. Die Und-Schaltung 71 spricht auf ein Umstell-Ausgangssignal jeder der Flip-Flop-Schaltungen A bis E und ein Ausgangssignal des Antriebsverstärkers 35 an, das anzeigt, daß das Zählergebnis der Flip-Flop-Schaltungen um 1 erhöht werden soll, um zu verhindern, daß die Flip-Flop-Schaltung A ihr Zählergebnis in Richtung nach oben ändert. Da ein Umstell-Ausgangssignal jeder der Flip-Flop-Schaltungen anzeigt, daß der Zähler gefüllt ist, d. h. daß er das maximale Zählergebnis erreicht hat, verhindert die Und-Schaltung praktisch, daß sich der Zähler von einem maximalen Zählergebnis auf das Zählergebnis Null umschaltet, wodurch die richtige Wirkungsweise des Systems verhindert würde. Entsprechend dient die Und-Schaltung 72 dazu, zu verhindern, daß sich das Zählergebnis des binären Zählers vom Zählergebnis Null auf ein maximales Zählergebnis ändert, wenn der Flip-Flop-Schaltung A ein einzelner negativer Eingangsimpuls zugeführt wird; zu diesem Zweck wird ein Umschalten der Rückstellseite der Flip-Flop-Schaltungyl immer dann verhindert, wenn sich alle Flip-Flop-Schaltungen im zurückgestellten Zustand befinden und der Antriebsverstärker 51 ein Ausgangssignal erzeugt, das anzeigt, daß ein positiver Schwellwert überschritten worden ist.

Wie schon an Hand von F i g. 1 erläutert, spricht das erfindungsgemäße System sowohl auf Wechselstromsignale als auch auf analoge Gleichstromsignale an, und es muß sowohl auf negative als auch auf positive Signale reagieren. Daher wird die bedeutsamste Ziffer des binären Ausgangssignals des Zählers, d. h. das Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung E, verwendet, um die Polarität des Signals anzuzeigen. Damit die Flip-Flop-Schaltung automatisch auf die Polarität des analogen Eingangssignals V_in anspricht, ohne daß man eine zusätzliche logische Schaltung oder eine Nachweisschaltung benötigt, ist eine Quelle für eine Bezugsspannung, deren Polarität derjenigen der der Leitung 27 zugeführten Bezugsspannung entgegengesetzt ist, über einen Widerstand 73 an den Summierungsknotenpunkt 6 angeschlossen, und der Widerstand 73 wird so eingestellt, daß der durch ihn fließende Strom die gleiche Größe hat wie der Strom, der durch den Widerstand 26 fließt, wenn der Transistor S_E leitfähig ist. Gemäß F i g. 3 hat die an den Widerstand 73 angelegte Bezugsspannung die gleiche Größe wie die der Leitung 27 zugeführte Bezugsspannung, doch ist sie von entgegengesetzter Polarität, und der Widerstand 73 wird auf den gleichen Wert eingestellt wie der Widerstand 26, d. h. auf den WertÄ/16. Wenn bei dieser Anordnung an der Klemme 4 kein Eingangssignal V_in erscheint, veranlaßt das Ausgangssignal des Verstärkers 5, das durch den in dem Widerstand 73 fließenden Strom hervorgerufen wird, den Differenzverstärker 31, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Gatter 40 bis 43 betätigt, während die Zeitmarkenimpulse aus dem Generator 65 den durch die Flip-Flop-Schaltungen A

bis E gebildeten Zähler veranlassen, ihr Zählergebnis zu erhöhen, bis sich nur die Flip-Flop-Schaltung E im umgestellten Zustand befindet. Infolgedessen ist nur der Transistor Sf leitfähig, und die Summe der dem Summierungsknotenpunkt 6 zugeführten Ströme ist gleich Null, so daß das Ausgangssignal des Verstärkers 5 auf Null zurückgeht, woraufhin sich das System wieder im Ruhezustand befindet. Jedes positive, an der Klemme 4 erscheinende Eingangssignal bewirkt jetzt lediglich, daß die Flip-Flop-Schaltungen A bis D ihren Zustand ändern, und zwar in Abhängigkeit von Ausgangssignalen, die dem Komparator oder Differenzverstärker 30 entnommen werden. Jedoch haben diese Signale keinen Einfluß auf den Zustand der Flip-Flop-Schaltung E, denn eine Änderung des Zustandes dieser Flip-Flop-Schaltung durch ein positives Eingangssignal wird in der beschriebenen Weise durch die Und-Schaltung 71 verhindert. Wenn das Signal V_in einen negativen Wert annimmt, so daß das Ausgangssignal des Verstärkers 5 den so positiven Schwellwert V_T überschreitet, veranlassen die Ausgangssignale des Verstärkers 31 den durch die Flip-Flop-Schaltungen A bis E gebildeten Zähler, sein Zählergebnis zu verkleinern, so daß die Flip-Flop-Schaltung E in ihren zurückgestellten Zustand gebracht wird. Bis ein positiver Schwellwert erreicht wird, zeigt der Zustand der Flip-Flop-Schaltung E technisch an, daß es sich um ein Signal von positiver Polarität handelt. Da jedoch das digitale Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltungen A bis D gleich Null ist, ist der Zustand des Vorzeichenbits ohne Bedeutung.

Zwar wurde das erfindungsgemäße System bezüglich seiner Anwendung bei binären Zählern und Analog-Binär-Digital-Umsetzers beschrieben, doch sei bemerkt, daß sich der Grundgedanke der Erfindung auch bei anderen Formen von digital arbeitenden Geräten anwenden läßt, z.B. bei einem Dezimalumsetzer. Hierzu ist jedoch zu bemerken, daß die Versetzungs-Schaltnetzwerke für ein solches System ziemlich kompliziert sein würden und daß daher ein binär digitales System bevorzugt wird.

Ferner wurde vorstehend ein System beschrieben, bei welchem die Schwellwertpegel gleich der Änderung des Gleichstrompegels am Ausgang des Verstärkers 5 sind, so daß das Ausgangssignal des Verstärkers 5 stets bis auf Null aufgeteilt wird, doch sei bemerkt, daß sich die Anwendbarkeit des Systems nicht auf diesen Fall beschränkt. Wenn man z.B. den gleichen Änderungsgrad des Gleichstrompegels für jeden Versetzungsschritt vorsieht, d. h. einen Wert von 10 V, kann man den Schwellpegel auf 7 V einstellen, so daß die Ausgangssignale dann auf — 3 V geändert werden.

Weiterhin wurde beschrieben, daß die Ausgangssignale der Flip-Flop-Schaltungen A bis E und des Umsetzers 1 einem Registriergerät 2 zugeführt werden, doch sei bemerkt, daß man auch andere Vorrichtungen zum Speichern oder Kombinieren der Ausgangssignale verwenden könnte. Beispielsweise wäre es möglich, die Signale direkt einem Rechengerät zuzuführen. _. .. ,

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Umsetzen der Amplitude eines sich ändernden Analogsignals in digitale Codekombinationen mit einem mehrere Quantisierungsbereiche umfassenden Meßbereich, bei der die in einem dieser Quantisierungsbereiche fallende Teilamplitude des Analogsignals in den Meßbereich eines Analog-Digital-Umsetzers fällt und durch diesen codiert wird und dieser Code mit der digitalen Angabe des betreffenden Quantisierungsbereichs zu einem einzigen digitalen Datenwort kombiniert wird, gekennzeichnet durch einen Kompensator, welcher die Größe der durch den Umsetzer (1) zu codierenden Teilamplitude mit den Grenzen des in den Meßbereich des Umsetzers fallenden Quantisierungsbereichs vergleicht, und beim Überschreiten dieser Grenzen das Analogsignal in solchem Maße kompensiert, daß die vom Umsetzer zu codierende Teilamplitude wieder zwischen die Grenzen des Quantisierungsbereichs fällt, wobei jede Kompensierung direkt in den die Quantisierungsbereiche indizierenden Teil des digitalen Datenworts eingetragen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator einen Schwellwertdetektor (12) umfaßt, welcher ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Größe der dem Umsetzer zugeführten Teilamplitude die Grenzen des Meßbereichs des Umsetzers überschreitet, und eine Quelle (7, 8) für ein schrittweise einstellbares Kompensationssignal umfaßt, welche zum Einstellen des Kompensationssignals von dem Ausgangssignal des Schwellwertdetektors (12) gesteuert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator einen digitalen Zähler (9) umfaßt, welcher das Ausgangssignal des Schwellwertdetektors (12) zählt und digitale Ausgangssignale erzeugt, welche in den die Quantisierungsbereiche indizierenden Teil des digitalen Datenworts eingetragen werden und die Einstellung des Kompensationssignals bestimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (7, 8) für ein schrittweise einstellbares Kompensationssignal eine erste Quelle (V_ref) für eine Bezugsgleichspannung umfaßt, welche über einen Widerstand (73) an den Eingang (6) des Kompensators, an welchen das Analogsignal zugeführt wird, angeschlossen ist, und eine zweite Quelle (—V_ref) für eine Spannung umfaßt, welcher der Bezugsgleichspannung der ersten Quelle (V_ref) entgegengesetzt gleich ist, und diese zweite Quelle (-V^₁) an den Eingang (6) des Kompensators über mehrere Widerstände (22 bis 26) mittels normalerweise offener Schalter (S_A bis S_E) angeschlossen ist, welche von dem Ausgangssignal des Schwellwertdetektors (12) gesteuert sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator einen Rechenverstärker (5) umfaßt, welcher zwischen dem Eingang (6) des Kompensators, an welchem das Analogsignal zugeführt wird, und dem Ausgang des Kompensators, an welchen die Teilamplitude dem Analog-Digital-Umsetzer (1) zugeführt wird, angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen