DE1300963B

DE1300963B - Bipolar digital-to-analog converter

Info

Publication number: DE1300963B
Application number: DEH61981A
Authority: DE
Inventors: Campbell Douglas B
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1966-03-02
Filing date: 1967-03-01
Publication date: 1969-08-14
Also published as: NL6702851A

Description

Die Erfindung betrifft einen bipolaren Digital-Analog-Umsetzer mit einem einzigen Umsetzungswerk, das digitale Signale in analoge Signale umwandelt, und einer an dieses angekoppelten Vorzeichen-Schaltstufe.The invention relates to a bipolar digital-to-analog converter with a single conversion unit that converts digital signals into analog signals, and a sign switching stage coupled to it.

Es ist bereits ein bipolarer Digital-Analog-Umsetzer bekannt, der zwei unipolare Umsetzernetzwerke mit je einer getrennten Referenzspannungsquelle hat. Beim übergang von der einen auf die andere Polarität ergeben sich jedoch häufig Ungenauigkeiten, weil sich die beiden Spannungsquellen gegenseitig beeinflussen.There is already a bipolar digital-to-analog converter known that two unipolar converter networks, each with a separate reference voltage source Has. However, when changing from one polarity to the other, this often results Inaccuracies because the two voltage sources influence each other.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde; einen bipolaren Digital-Analog-Umsetzer vorzuschlagen, der mit einem einzigen Umsetzernetzwerk auskommt.The invention is based on the object; a bipolar digital-to-analog converter to propose that manages with a single converter network.

Ein bipolarer Digital-Analob Umsetzer, bestehend aus einem unipolaren Umsetzemetzwerk und einem angekoppelten, als steuerbarer Inverter dienenden Differentialverstärker ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Umsetzernetz-Werks mit den beiden Eingängen eines Differentialverstärkers verbunden ist, dessen einer an einem Verknüpfungspunkt liegt, an welchem das Signal des Umsetzemetzwerks mit einem Rückkopplungssignal vom Ausgang des Differentialverstärkers summiert wird, dort auch eine verstärkungsbemessende Verbindung zwischen diesem Punkt und einem auf Bezugspotential liegenden Punkt besteht, und ein Schalter vorgesehen ist, um den anderen Eingang bei Eingangsgrößen einer Polarität am Umsetzer vom Umsetzernetzwerk zu trennen, so daß der Differentialverstärker ein zum vom Umsetzernetzwerk empfangenen Signal gegenphasiges Signal abgibt, und um diesen Eingang bei Eingangsgrößen der anderen Polarität am Umsetzer mit dem Umsetzernetzwerk zu verbinden, so daß der Differentialverstärker ein Differentialsignal in Phase zum vom Umsetzer empfangenen Signal abgibt.A bipolar digital-to-analog converter, consisting of a unipolar Conversion network and a coupled differential amplifier serving as a controllable inverter is according to the invention characterized in that the output of the converter network plant is connected to the two inputs of a differential amplifier, one of which is at a connection point at which the signal from the conversion network is connected is summed with a feedback signal from the output of the differential amplifier, there is also a reinforcement-measuring connection between this point and one at the reference potential point, and a switch is provided to the other input for input variables of one polarity at the converter from the converter network to separate so that the differential amplifier one to the received from the converter network Signal emits anti-phase signal, and to this input at input variables of the other polarity on the converter to connect to the converter network, so that the Differential amplifier a differential signal in phase with that received by the converter Emits signal.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter, sobald er den Differentialverstärkereingang vom Umsetzer trennt, diesen Eingang mit dem Punkt des Bezugspotentials verbindet.An advantageous embodiment is characterized in that the switch, as soon as it disconnects the differential amplifier input from the converter, this one The input connects to the point of the reference potential.

Der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Differenzverstärker ist derart aufgebaut,- daß er am -Ausgang kein Ausgangssignal abgibt, wenn die beiden Eingangssignale einander gleich sind, und daß das Ausgangssignal je nach dem Überwiegen des einen oder anderen Eingangssignals ein positives oder negatives Ausgangssignal abgibt.The differential amplifier used in accordance with the present invention is constructed in such a way that it does not emit an output signal at the output if the two Input signals are equal to each other, and that the output signal depending on the preponderance one or the other input signal has a positive or negative output signal gives away.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den wesentlichen Vorteil; daß durch nur ein Umsetzernetzwerk und eine dazugehörige Referenzspannungsquelle der Aufwand erheblich erniedrigt. wird und daß die Genauigkeit beim Übergang von der einen auf die andere Polarität gegenüber den bisher bekannten Wandlern erheblich erhöht wird.The solution according to the invention has the essential advantage; that by just a converter network and an associated reference voltage source the effort considerably lowered. and that the accuracy in transitioning from one to the other polarity is significantly increased compared to the previously known transducers.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Blockschaltbild eines bisher bekannten bipolaren Digital-Analog-Umsetzers, F i g. 2 das Schaltbild des bipolaren Digital-Analog-Umsetzers gemäß der vorliegenden Erfindung, F i g. 3 ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 bei einem Vorzeichenbit erster Polarität und F i g. 4 ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 bei einem Vorzeichenbit zweiter Polarität: F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines bisher bekannten bipolaren Digital-Analog-Umsetzers. Für jede Polarität ist je ein Umsetzernetzwerk 10 bzw. 11 vorgesehen. Als Eingänge sind ein Vorzeichenbiteingang und ein Digitalregistereingang vorgesehen. Die Netzwerke 10 und 11 sind an Referenzspannungsquellen entgegengesetzter Polarität angeschlossen. Das Vorzeichenbit bestimmt, welches der beiden Netzwerke durch die Schalter 12 und 13 an die dazugehörige Referenzspannungsquelle angeschaltet wird.The invention is described below on the basis of an exemplary embodiment explained in more detail. It shows F i g. 1 shows the block diagram of a previously known bipolar Digital-to-analog converter, FIG. 2 the circuit diagram of the bipolar digital-to-analog converter according to the present invention, FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the circuit arrangement according to FIG. 2 with a sign bit of the first polarity and F i g. 4 an equivalent circuit diagram the circuit arrangement according to FIG. 2 with a sign bit of the second polarity: F i g. 1 shows the circuit diagram of a previously known bipolar digital-to-analog converter. A converter network 10 or 11 is provided for each polarity. As entrances a sign bit input and a digital register input are provided. The networks 10 and 11 are connected to reference voltage sources of opposite polarity. The sign bit determines which of the two networks through the switches 12 and 13 is connected to the associated reference voltage source.

Jedes Umsetzemetzwerk besteht in bekannterWeise aus einem Widerstandsaddierwerk, das wahlweise das eine Ende jedes Widerstandes an die Referenzspannung oder an Masse schaltet. Die anderen Enden der Widerstände sind miteinander verbunden und an den Eingang einerAusgangspufferstufe angeschlossen.Die Ausgangspuf£erstufe kann ein geeigneter Meßverstärker 15 sein. Die Schalter zum wahlweisen Verbinden des einen Endes jedes Widerstandes an die Referenzspannung oder an Masse können ein Teil eines digitalen Registers oder von dem Ausgang eines solchen Registers angesteuert sein.Each conversion network consists in a known manner of a resistor adder, either one end of each resistor to the reference voltage or to ground switches. The other ends of the resistors are connected to each other and to the Input of an output buffer stage connected. The output buffer stage can be a be suitable measuring amplifier 15. The switches for the optional connection of one End of any resistance to the reference voltage or to ground can be part of a digital register or be controlled by the output of such a register.

Da die Widerstandsaddierwerke nur dann genau sein können, wenn sie an eine konstante Last angeschlossen sind, ist eine Ausgangspufferstufe erforderlich. Durch Benutzung eines Meßverstärkers mit hoher Verstärkung und einem Gegenkopplungsnetzwerk erscheint als Belastung eine sehr hohe Eingangsimpedanz und eine sehr hohe Ausgangsimpedanz des Verstärkers. Zur Beschreibung des Meßverstärkers wird ein idealisierter Verstärker angenommen, der eine unendliche Verstärkung, eine unendlich hohe Eingangsimpedanz und die Ausgangsimpedanz Null hat.Since the resistance adders can only be accurate if they connected to a constant load, an output buffer stage is required. By using a high gain instrumentation amplifier and a negative feedback network The load appears to be a very high input impedance and a very high output impedance of the amplifier. An idealized amplifier is used to describe the measuring amplifier suppose of an infinite gain, an infinitely high input impedance and the output impedance is zero.

F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Digital-Analog-Umsetzers. Ein einziges unipolares Umsetzernetzwerk 16 wird von einer einzigen Referenzspannungsquelle 17 gespeist. Das Netzwerk 16 ist im wesentlichen genauso aufgebaut wie das Netzwerk 10 der F i g.1. Der Ausgang des Netzwerks 16 ist über zwei in Serie geschaltete Widerstände 18 und 20 mit dem Eingang 21 eines Differenzverstärkers 22 verbunden.F i g. 2 shows the block diagram of the digital-to-analog converter according to the invention. A single unipolar converter network 16 is powered by a single reference voltage source 17 fed. The network 16 is constructed essentially in the same way as the network 10 of FIG. 1. The output of the network 16 is connected in series via two Resistors 18 and 20 are connected to the input 21 of a differential amplifier 22.

Der zweite Eingang 23 des Differenzverstärkers 22 ist mit einem Verbindungspunkt 25 verbunden. Der Verbindungspunkt 25 liegt über einen Widerstand 26 an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 18 und 20. Der Verbindungspunkt 25 ist außerdem über einen Widerstand 27 an Masse 28 angeschlossen. Weiterhin ist ein Gegenkopplungswiderstand 30 vorgesehen, der zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 22 und dem Verbindungspunkt 25 liegt. Hat der Differenzverstärker zwei entgegengesetzte Ausgänge; -so wird bei der vorliegenden Erfindung derjenige benutzt, der gegenüber dem Eingang 23 eine Phasendrehung von 180° hat. Der Eingang 21 des Verstärkers 22 ist über einen elektronischen Schalter 31 mit Masse 28 verbunden. Der Schalter 31 wird durch ein Vorzeichenbiteingangssignal gesteuert, das die Polarität der gesamten Einrichtung steuern soll.The second input 23 of the differential amplifier 22 is connected to a connection point 25 connected. The connection point 25 is connected to the connection point via a resistor 26 between the resistors 18 and 20. The connection point 25 is also via a Resistor 27 connected to ground 28. There is also a negative feedback resistor 30 is provided between the output of the differential amplifier 22 and the connection point 25 lies. Does the differential amplifier have two opposite outputs; -so will be at the present invention that uses that opposite the input 23 a Has a phase rotation of 180 °. The input 21 of the amplifier 22 is via an electronic Switch 31 connected to ground 28. The switch 31 is activated by a sign bit input signal controlled, which is to control the polarity of the entire device.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 wird nachfolgend in Verbindung mit den in den F i g. 3 und 4 gezeigten Ersatzschaltbildern beschrieben. In dem Ersatzschaltbild nach F i g. 3 ist der Schalter 31 geschlossen und in dem Ersatzschaltbild nach F i g: 4 offen. Ist der elektronische Schalter 31 geschlossen, so wird der Eingang 21 des Verstärkers 22 gegen Masse kurzgeschlossen, so daß er als Eingang unwirksam ist. In diesem Zustand arbeitet der Differenzverstärker 22 als normaler Meßverstärker mit nur einem Eingang, wie durch den Verstärker 35 in F i g. 3 angedeutet ist. Die Spannung des Umsetzernetzwerks ist in dieser Figur als Signalspannungsquelle 36 gezeigt. Widerstand 18 stellt den Ausgangswiderstand des Umsetzernetzwerks dar. Der Verstärker 35 arbeitet als einpoliger Meßverstärker, wobei der Verbindungspunkt 25 etwa auf Massepotential liegt.The mode of operation of the circuit arrangement according to FIG. 2 is below in connection with the in the F i g. 3 and 4 shown equivalent circuit diagrams described. In the equivalent circuit according to FIG. 3, the switch 31 is closed and in the Equivalent circuit according to Fig: 4 open. Is the electronic switch 31 closed, the input 21 of the amplifier 22 is short-circuited to ground, so that it is ineffective as an input. The differential amplifier works in this state 22 as a normal measuring amplifier with only one input, such as by the amplifier 35 in Fig. 3 is indicated. The voltage of the converter network is in this figure shown as signal voltage source 36. Resistor 18 represents the output resistance of the converter network. The amplifier 35 operates as a single-pole measuring amplifier, the connection point 25 being approximately at ground potential.

Wird der Verstärker 35 als idealisierter Verstärker angenommen, so ist der über den Widerstand 30 fließende Rückkopplungsstrom gleich dem Signalstrom durch den Widerstand 26. Aus diesem Grund fließt über den Widerstand 27 kein Strom nach Masse, und der Widerstand 27 kann deshalb ignoriert werden. Fließt durch den Widerstand 27 kein Strom, so liegt der Eingang 23 auf Massepotential. Der Strom durch den Widerstand 26 ist gleich Hierbei ist RS der Widerstand 18 (Ausgangswiderstand des Netzwerks), R1 der Widerstand 20, R2 der Widerstand 26, R3 der Widerstand 30 und ES die volle Ausgangsspannung des Netzwerks 16. Die Ausgangsspannung Eo des Verstärkers 22 ist bei voller Eingangsspannung In der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 hat das Ausgangssignal immer die entgegengesetzte Polarität gegenüber der Spannung der Spannungsquelle 36.If the amplifier 35 is assumed to be an idealized amplifier, the feedback current flowing through the resistor 30 is equal to the signal current through the resistor 26. For this reason, no current flows through the resistor 27 to ground, and the resistor 27 can therefore be ignored. If no current flows through resistor 27, input 23 is at ground potential. The current through resistor 26 is the same Here RS is the resistor 18 (output resistance of the network), R1 is the resistor 20, R2 is the resistor 26, R3 is the resistor 30 and ES is the full output voltage of the network 16. The output voltage Eo of the amplifier 22 is at full input voltage In the circuit arrangement according to FIG. 3, the output signal always has the opposite polarity to the voltage of the voltage source 36.

In der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 wird der Verstärker 22 mit einer solchen Speisespannung versorgt, daß er sowohl positive als auch negative Ausgangssignale gegenüber einem Nullsignal abgeben kann, das dem Nullpotential des Netzwerks 16 entspricht. Liefert das Netzwerk 16 das Ausgangspotential Null, so führt auch der Ausgangsanschluß des Verstärkers 22 dieses Nullpotential. Ein gegenüber Masse 28 positives Signal vom Netzwerk 16 bewirkt ein negatives Ausgangssignal des Verstärkers 22, und umgekehrt.In the circuit arrangement according to FIG. 2, the amplifier 22 is supplied with a supply voltage such that it can emit both positive and negative output signals in relation to a zero signal which corresponds to the zero potential of the network 16. If the network 16 supplies the output potential zero, the output connection of the amplifier 22 also carries this zero potential. A positive signal from network 16 with respect to ground 28 causes a negative output signal from amplifier 22, and vice versa.

Ist in der Schaltungsanordnung der F i g. 2 der Schalter 31 geöffnet, so ergibt sich das Ersatzschaltbild der F i g. 4. Der erste Eingang 21 und der zweite Eingang 23 werden vom Ausgangssignal des Umsetzernetzwerks 26 gesteuert. In der Praxis hat der Verstärker 22 eine sehr hohe Verstärkung, eine sehr hohe Eingangsimpedanz und eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz.Is in the circuit arrangement of FIG. 2 the switch 31 is open, this results in the equivalent circuit diagram in FIG. 4. The first input 21 and the second Input 23 are controlled by the output signal of converter network 26. In the In practice, the amplifier 22 has a very high gain, a very high input impedance and a very low output impedance.

Wegen der hohen Eingangsimpedanz fällt an dem Widerstand 20 keine Spannung ab. Das über den Widerstand 30 an den Umkehreingang 23 gelangende Signal erzeugt an diesem Anschluß ein Signal, das gleich dem Signal an dem Anschluß 21 ist. Aus diesem Grund muß die Spannung am Anschluß 23 gleich der Spannung am Anschluß 21 sein. Da an dem Widerstand. 20 keine Spannung abfällt, fällt ebenso am Widerstand 26 keine Spannung ab. Ohne einen solchen Spannungsabfall kann weder durch den Widerstand 20 noch durch den Widerstand 26 ein Strom fließen. Es existiert kein anderer Stromweg, durch den Strom durch den Widerstand 18 des Netzwerks fließen könnte, so daß an dem Widerstand 18 ebenfalls keine Spannung abfallen kann.Because of the high input impedance, there is no drop across resistor 20 Tension off. The signal reaching the reversing input 23 via resistor 30 generates a signal at this connection which is the same as the signal at connection 21 is. For this reason, the voltage at the terminal 23 must be equal to the voltage at the terminal Be 21. Because of the resistance. 20 no voltage drops, the resistor also drops 26 no tension. Without such a voltage drop, neither can through the resistor 20 a current can still flow through the resistor 26. There is no other path of electricity by the current could flow through the resistor 18 of the network, so that on the resistor 18 can also not drop a voltage.

Hierdurch wird bewirkt, daß die volle Spannung der Signalquelle 36 am Widerstand 27 auftritt und daß der Strom durch den Widerstand 27 durch den Rückkopplungswiderstand 30 geliefert wird. Die volle Ausgangsspannung entspricht dann dem Wert Hierbei ist R4 der Widerstand 27.This has the effect that the full voltage of the signal source 36 appears at the resistor 27 and that the current through the resistor 27 is supplied through the feedback resistor 30. The full output voltage then corresponds to the value Here, R4 is resistor 27.

Durch die richtige Wahl des Widerstandes -kann die Spannungsamplitude der einen Polarität des Ausgangssignals gleich der Spannungsamplitude des Ausgangssignals der entgegengesetzten Polarität gemacht werden. Ein Verfahren der Berechnung der verschiE-denen Widerstandswerte besteht darin, die Werte für das volle Ausgangssignal gleichzumachen: Die Werte aller Widerstände, ausgenommen des Widerstandes 27, können für die optimalen Eigenschaften des Netzwerks und des Verstärkers ausgesucht werden. Dann kann der Widerstand R4 bestimmt werden, so daß die Werte für die volle Ausgangsspannung folgendermaßen sind: Die Ausgangsspannung des Verstärkers 22 folgt der Polarität der Ausgangsspannung des Umsetzernetzwerks, wenn die Spannung am ersten Anschluß 21 näher an der Spannung des Umsetzernetzwerks liegt als die Spannung am zweiten Anschluß 23. Liegt der Wert der Spannung am zweiten Anschluß 23 näher an der Polarität des Netzwerks als die am Anschluß 21, so führt der Ausgang des Verstärkers 22 gegenüber der Netzwerkausgangsspannung die entgegengesetzte Polarität. Welche der Spannungen an dem ersten bzw. zweiten Anschluß der Netzwerkausgangsspannung näher folgt, wird durch den Schalter 31 bestimmt.With the correct choice of resistor, the voltage amplitude of one polarity of the output signal can be made equal to the voltage amplitude of the output signal of the opposite polarity. One method of calculating the various resistance values is to equalize the values for the full output signal: The values of all resistors, with the exception of resistor 27, can be selected for the optimal properties of the network and the amplifier. Then the resistor R4 can be determined so that the values for the full output voltage are as follows: The output voltage of the amplifier 22 follows the polarity of the output voltage of the converter network when the voltage at the first terminal 21 is closer to the voltage of the converter network than the voltage at the second terminal 23. If the value of the voltage at the second terminal 23 is closer to the polarity of the network than that at connection 21, the output of amplifier 22 has the opposite polarity to the network output voltage. Switch 31 determines which of the voltages at the first or second terminal follows the network output voltage closer.

Der Umsetzer kann mit verschiedenen Arten von Umsetzernetzwerken aufgebaut sein und auch verschiedene Arten von Differenzverstärkern haben. Vorzugsweise sollte der Differenzverstärker eine starke Unterdrückung gleichphasiger Signale haben, um Ungenauigkeiten im Betrieb mit einem geerdeten Eingang zu vermeiden.The translator can be built with different types of translator networks and also have different types of differential amplifiers. Preferably should the differential amplifier have a strong suppression of in-phase signals, to avoid inaccuracies when operating with a grounded input.

Der Schalter 31 und der Widerstand 20 können gegeneinander vertauscht werden, es ist jedoch auch möglich, den Widerstand 20 durch einen zweiten Schalter zu ersetzen. Die Ausführungsform nach F i g. 2 hat jedoch den Vorteil, daß nur ein Schalter erforderlich ist und daß das Steuern eines Signals durch Kurzschließen meist zu geringeren Fehlern führt.The switch 31 and the resistor 20 can be interchanged, but it is also possible to replace the resistor 20 with a second switch. The embodiment according to FIG. 2 has the advantage, however, that only one switch is required and that controlling a signal by short-circuiting usually leads to fewer errors.

Claims

Claims: 1. Bipolar digital-to-analog converter, consisting of a unipolar converter network and a connected, controllable inverter serving differential amplifier, characterized in that the output of the converter network (16) with the two inputs (21, 23) of a differential amplifier (22) 'tied together is, one of which (23) is at a node (25) at which the signal of the Umseizernetzwerk with a feedback signal from the output of the differential amplifier is summed up, there is also a gain = dimensioning connection between it Point and a point (28) at reference potential, and: a switch (31) is provided to the other input (21) for input variables of one polarity at the converter to separate from the converter network, so that the differential amplifier a emits signal in phase opposition to the signal received from the converter network, and around this input for input variables of the other polarity at the converter with the converter network to connect so that the differential amplifier has a differential signal in phase to the signal received by the converter.

2. Converter according to claim 1, characterized characterized in that the switch (31) as soon as it has the differential amplifier input (21) from converter (16) separates this input with point (28) of the reference potential connects.

3. Converter according to claim 1, characterized in that the output of the differential amplifier (22) outputs the signal 0 when the two input signals are the same and this depends on. the predominance of one or the other input signal shifts to a positive or negative output variable.

4. Converter according to claim 1, characterized in that the converter network (16) consists of a with resistors built adding unit consists.

5. converter according to claim 1, characterized in that that the resistor network is a voltage divider (26, 27) on its tap (25) via a resistor (30) from the output of the amplifier a Gregen coupling signal is applied.