DE1537557A1

DE1537557A1 - Erste Kodierungsstufe fuer einen Stufenkoder

Info

Publication number: DE1537557A1
Application number: DE19671537557
Authority: DE
Inventors: Saari Veikko Reynold
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-12-01
Filing date: 1967-11-28
Publication date: 1970-04-30
Also published as: US3521273A; DE1537557B2; GB1166368A; BE707223A; SE336000B

Description

New York

V.R. Saari 9

Erste Kodierungsstufe für einen Stufenkoder

Die Erfindung betrifft einen oder mehrere Stufen von binären Stufenkodern, wobei jede Stufe eine analoge Eingangsklernme, zwei analoge Ausgangsklemmen und zwei Rückkopplungsverstärker aufweist _Λ und jeder Verstärker eine Eingangsklemme, eine Ausgangsklemme und zwei Rückkopplungskreise hat. Durch die Erfindung wird eine erste Stufe für derartige Köder geschaffen, welche dieselben Operationen wie die herkömmliche und bisher benutzte Kombination einer Kodierungsstufe und eines Umkehrverstärkers durchführen kann. Eine erfindungs gemäße Ko dierungs stufe enthält einen nichtumkehrenden Funktionsverstärker und einen umkehrenden Funktionsverstärker,, die jeweils zwei Rückkopplungskreise aufweisen, wobei jeder Rückkopplungskreis aus der Reihenschaltung eines Widerstands und einer nichtlinearen Impedanz besteht. Das zu kodierende Eingangssignal wird unmittelbar auf die Eingänge der Funktionsverstärker geschaltet, deren Ausgänge so miteinander verbunden sind, daß eine zusammengesetzte Aus gangs Stromfunktion entsteht, die dem absoluten Wert des Eingangssignals proportional ist. Ferner ist die Umkehrung dieser zusammengesetzten Funktion verfügbar.

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Eine Kodierung, bei der sieh keine zwei aufeinanderfolgenden kodierten Zahlen um mehr als eine einzige Ziffer unterscheiden, bietet gegenüber der herkömmlichen binären Kodierung gewisse Vorteile. Ein derartiger Kode wird häufig ein reflektierter binärer Kode oder ein Gray-Kode genannt und zwar infolge der Art und Weise wie der Kode gebildet wird.

Ein Verfahren zur Bildung reflektierter binärer Kodegruppen aus analogen Signalen ist besonders vorteilhaft und wurde in dem "Stufen"-Köder verwirklicht. Ein derartiger Köder weist eine Vielzahl von hintereinandergeschalteten Kodierungsstufen auf; (eine Stufe für jede Ziffer im Kodewort). Jede dieser Stufen hat einen analogen Eingang, einen analogen Ausgang und einen Ziffernausgang. Der analoge Ausgang der ersten Stufe ist der analoge Eingang der nächsten und so fort. Die Stufen zeigen eine V-förmige Übertragungskennlinie zwischen dem analogen Eingang und dem analogen Ausgang. Diese Übertragungskennlinie liefert herkömmliehe VoIlwegbrückengleichrichter in jeder Stufe, während Ziffernausgangsmittel, welche auf den Leitfähigkeitszustand einer der Gleichrichterdioden ansprechen, die Polarität des Eingangs signals jeder Stufe bestimmen.

Es ist eine verbesserte Stufenkodierungsschaltung bekannt, bei der die gewünschte V-förmige Vollweggleichrichter-Übertragungskenn-

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linie stückweise erzeugt wird, d. h> die beiden Arme des V werden getrennt durch ein Kodierungsnetzwerk erzeugt und nachfolgend kombiniert. Jede Hälfte der gewünschten Kennlinie wird mit Hilfe eines Verstärkers erzeugt, der einen Rückkopplungsweg aufweist, welcher aus der in Reihe geschalteten Kombination eines nichtlinearen Impedanzelements und eines Widerstands besteht. Von dem Verbindungspunkt des nichtlinearen Elements und des Widerstands erhält· man einen linearen analogen Ausgang, während der binäre ™

Ziffernausgang von dem Ausgang des Verstärkers erhalten wird. Jeder Verstärker hat zwei Rückkopplungswege, die jeweils eine Hälfte der notwendigen Übertragungskennlinie liefern, so daß die entstehende Stufe als binäre Stufe eines Stufenkoders wirkt.

Bei einer bevorzugten Form des Stufenkoders wird ein symetrisehes Kodierungssystem, verwendet, um die Kodierungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Jede Stufe eines derartigen symetrischen Köders besteht aus zwei Netzwerken des oben geschilderten Typs. Diese Netzwerke arbeiten in Gegenphase, d. h. wenn der Ausgang des einen Verstärkers positiv ist, ist der Ausgang des komplementären Verstärkers in derselben Stufe negativ. Bei den bekannten Anordnungen muß die erste Stufe durch symetrische Eingangs signale in Gegenphase gesteuert werden. Bisher wurden derartige symetrische Eingangs signale entweder durch die Verwendung eines Umkehrver-

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verstärkers erhalten, der zwischen das zu kodierende Eingangssignal und die eine Hälfte der ersten Stufe geschaltet war, oder durch die Verwendung einer speziellen Polaritätsentnahme -Schaltung. Die Verwendung eines Umkehrverstärkers erhöht nicht nur den Aufwand der ersten Stufe, sondern verringert auch die Kodierungsgeschwindigkeit etwas und ergibt außerdem das Problem, daß in den beiden Wegen der ersten Stufe verschiedene Fortpflanzungsgeschwindigkeiten vorhanden sind. Die Polaritätsentnahmeschaltung der ersten Stufe weist keine derartigen Geschwindigkeitsbegren" zungen auf, sind jedoch auf Anwendungen beschränkt, bei denen eine verhältnismäßig niedrige Ausgangsleistung für die zweite Stufe des Köders notwendig ist.

Die obigen Schwierigkeiten werden durch die vorliegende Erfindung überwunden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rückkopplungskreise des ersten der Rückkopplungsverstärker so angeordnet sind, daß der Verstärker als umkehrender Funktionsverstärker wirkt, während die Rückkopplungskreise des zweiten der Verstärker so angeordnet sind, daß der Verstärker als nichtumkehrender Funktionsverstärker wirkt. Es führen Verbindungen von der analogen Eingangsklemme zu jedem der Verstärkereingänge. Die Rückkopplungswege der Verstärker und die analogen Ausgangsklemmen sind durch Widerstände miteinander verbunden, die eine V-förmige

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Übertragungsleitwertkennlinie zwischen der einen der analogen Ausgangsklemmen und der Eingangsklemme ergaben, ferner eine umgekehrte V-förmige Übertragungsleitwertkennlinie zwischen der zweiten der analogen Ausgangsklemmen und der analogen Eingangsklemme,

Erfindungsgemäß sind ein nichtumkehrender Funktionsverstärker und ein umkehrender Funktionsverstärker unmittelbar verbunden, um das zu kodierende Signal aufzunehmen. Jeder Verstärker weist zwei Rückkopplungskreise auf, wobei jeder Rückkopplungskreis aus der Reihenschaltung eines Widerstands und einer nichtlinearen Impedanz besteht. Die nichtlinearen Einrichtungen der Rückkopplungskreise der Verstärker sind in entgegengesetzten Richtungen gepolt, so daß eine erste Einrichtung leitet und die zweite in Sperrrichtung vorgespannt ist, wenn das Eingangssignal positive Polarität hat, während der umgekehrte Leitungs zustand vorhanden ist % wenn das Eingangssignal negative Polarität hat. Der Verbindungspunkt der ersten Diode und des zugehörigen Rückkopplungswiderstands in jeder Verstärkerschaltung ist mit Hilfe eines Widerstands mit einer ersten Ausgangsklemme verbunden, während der Verbindungspunkt der zweiten Diode und des zugehörigen Widerstands in jedem Verstärker mit Hilfe eines Widerstands mit einer zweiten Ausgangsklemme verbunden ist. Die beiden Verstärker arbeiten

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mit einer Phasendifferenz von 180 Grad der Aus gangs spannung an dem Punkt, wo die entsprechenden Diodenpaare verbunden sind, so daß infolge des Zusammenschaltens der Ausgangssignale in der oben beschriebenen Weise "V"-förmige und umgekehrte ¹¹V¹¹-förmige Ausgangssignalströme wie auch ein digitales Aus gangs signal beim vollständigen Durchlaufen des Eingangsstrombereichs erzeugt werden. Diese Signale sind die Signale, die durch die erste Stufe eines Stufenkoders erzeugt werden müssen, sie werden erzeugt ohne daß es notwendig ist, daß jedem Verstärker ein Umkehrverstärker vorangeht. Ferner ist der Ausgangsleistungspegel höher als derjenige, der durch die oben geschilderte Polaritätsentnahme stufe erzeugt wurde.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Die Figur zeigt ein Schema einer ersten Stufe für einen Stufenkoder der die Erfindung verkörpert.

Das in der Figur dargestellte Kodierungsnetzwerk verwendet zwei Funktionsverstärkerschaltungen. Da bisher keine Normalisierung der Symbolik der Funktionsverstärkerschaltungen vorhanden ist, sei bemerkt, daß die in der Figur verwendeten Symbole die Symbole sind, welche die Burr-Brown Research Corporation verwendet und welche im Handbook of Operational Amplifier Applications, erste Ausgabe Copyright 1963, in Figur 2B auf Seite 2 beschrieben sind.

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Bei dieser Symbolik ist die Eingangsklemme 1 in jedem Funktionsverstärker 10 und 11 der umkehrende Eingang oder der Summierungspunkt was bedeutet, daß ein positiver Strom, der über den Widerstand 30 bzw. den Widerstand 20 in die Klemme 1 der Verstärker 10 und 11 fließt, eine negative Spannung an der Ausgangsklemme 4 erzeugt. In gleicher Weise erzeugt ein negativer Eingangsstrom an der Klemme 2, welche* als Differential-Eingangsklemme

bezeichnet wird, eine negative Spannung an der Ausgangsklemme

Der Punktionsverstärker 10 hat zwei Rückkopplungskreise, Der erste besteht aus der Diode 12 und dem Widerstand 13, die in Reihenschaltung zwischen die Ausgangsklemme 4 und die Eingangsklemme 1 geschaltet sind. Der zweite Rückkopplungskreis besteht aus der Reihenschaltung einer Diode 15 und eines Widerstands 16, die zwischen die Ausgangsklemme 4 und die Eingangsklemme 1 geschaltet sind. Die Diode 12 ist so gepolt, daß sie leitet wenn die J

Spannung an der Ausgangsklemme 4- des Verstärkers 10 positiv ist, während die Diode 15 so gepolt ist, daß sie leitet wenn diese Spannung negativ ist. Ferner ist die Eingangsklemme 1 über den Widerstand 20 mit Erde verbunden, während die Eingangsklemme 2 so geschaltet ist, daß sie unmittelbar das zu kodierende Eingangssignal erhält, das von der Quelle 22 an die Eingangsklemme 21 angelegt wird. Die entstehende Form des Verstärkers 10 und seiner Rück-

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kopplungskreise ist diejenige des nichtumkehrenden Funktionsverstärkers, der in Figur HB des oben erwähnten Handbuches dargestellt ist, so daß die an der Klemme 38 oder 3 9 des Verstärkers 10 erscheinende Ausgangsspannung gleich

Rf +R₂₀

— Eingang (1)

^R2Q

wobei R„ der Wert des Widerstands 13 oder des Widerstands 16 und R der Wert des Widerstands 20 ist. Das Inkrement der Aus gangs spannung erscheint an der Klemme 38 oder 3 9, je nach dem welcher der beiden Rückkopplungskreise in Betrieb ist. Der Funktionsverstärker 11 hat ebenfalls zwei Rückkopplungskreise, die jeweils aus der Reihenschaltung eines Widerstands und einer Diode bestehen. Der erste der Rückkopplungskreise besteht aus der Reihenschaltung der Diode 25 und des Widerstands 26, die zwischen die Ausgangsklemme 4 des Verstärkers 11 und die Ausgangsklemme 1 geschaltet sind. Der zweite Rückkopplungskreis besteht aus der Reihenschaltung der Diode 27 und des Widerstands 28, die ebenfalls zwischen die Ausgangsklemme 4 und die Eingangsklemme 1 geschaltet sind. Die Dioden 25 und 27 sind entgegengesetzt gepolt, so daß die eine oder die andere leitet, je nach der Polarität der Ausgangsspannung, Ferner ist die Eingangsklemme geerdet, während die Eingangsklemme 1 mit Hilfe eines Widerstands

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30 mit der Eingangsklemme 21 verbunden ist. Die entstehende Form ist die Form des grundsätzlichen umkehrenden Funktionsverstärkers, der in Figur HA auf Seite 7 des oben erwähnten Handbuches dargestellt ist, wobei die Ausgangs spannung an der Klemme 35 oder 36 gleich

RJ

- p-— Eingang (2)

^Λ30

ist, wobei R* der Wert des Widerstands 26 oder 28 ist, je nach dem welcher der beiden Rückkopplungskreise in Betrieb ist, und Rq_n der Wert des Widerstands 30.

Die Ausgangsspannungen und Ströme, die durch die Schaltung erzeugt werden sind (als Funktionen der Eingangs ströme und Spannungen) an den verschiedenen Ausgangsklemmen in der Figur dargestellt. Um das Verständnis dieser Signalformen zu erleichtern, wurde eine strichpunktierte senkrechte Linie durch das Eingangsstromsignal bei null Stromeinheiten gezogen, wobei zwei Punkte verwendet werden, um die Werte des Eingangsstroms zu bezeichnen. Der positive Wert +1 des Eingangs Stroms ist durch einen Punkt rechts von der .senkrechten Linie, und der negative Wert -I durch einen Punkt links von der senkrechten Linie angegeben. Ferner ist eine senkrechte Linie durch die Ausgangssignalformen gezogen. Diese Linie soll den Wert der Ausgangs spannung oder des Ausgangs-

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stroms (wie angegeben) anzeigen, wenn der Eingangs strom bei null Einheiten liegt. Der Punkt rechts von der senkrechten Linie in einer Ausgangssignalform, ist die Spannung oder der Strom (wie angegeben) wenn der Eingangsstrom bei +1 Stromeinheiten liegt,, während der Punkt links von der senkrechten Linie in einer Ausgangssignalform die Spannung oder den Strom (wie angegeben) angibt, wenn der Eingangsstrom bei -I Stromeinheiten liegt.

Der Punktionsverstärker 11 und seine zugehörigen Rückkopplungsnetzwerke bewirken, daß zwei Ausgangskennlinien an den Klemmen 35 und 36 entstehen, die in der beigefügten Figur dargestellt sind. Der Verstärker 11 bewirkt eine Phasenumkehr, da er ein umkehrender Verstärker ist, so daß, wenn der Eingangsstrom positiv ist (der zur Eingangsklemme 1 hin fließt), die Ausgangsspannung des Verstärkers 11 negativ und die Diode 25 in Sperrichtung vorgespannt ist. Bei diesem Zustand fließt tatsächlich kein Strom durch den Widerstand 26, so daß wie dargestellt, die Spannung an der Klemme 35 Null beträgt. Wenn jedoch der Eingangsstrom negativ ist, ist die Ausgangsspannung des Verstärkers 11 positiv, die Diode 25 wird in Flußrichtung vorgespannt und es erscheint eine positive Spannung an der Ausgangsklemme 35. Die Diode 27 ist bei negativen Eingangs strömen in Sperrichtung vorgespannt und es fließt infolge der hohen Stromverstärkung des Verstärkers 11 ein vernachlässig-

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barer Strom in den Verstärker 11 an der Klemme 1, so daß im wesentlichen der gesamte Strom durch den Widerstand 26 fließt. Wenn daher wie dargestellt, die Größe des negativen Eingangsstroms zunimmt, nimmt die Größe der Spannung an der Klemme 35 in linearer Weise zu. Die Beziehung zwischen der Spannung an der Klemme 36 und dem Eingangsstrom kann auf ähnliche Weise erklärt werden, sie ist in der beigefügten Figur dargestellt.

Da der Verstärker 10 als nichtumkehrender Verstärker geschaltet ist, ist seine Arbeitsweise etwas von derjenigen des Verstärkers 11 verschieden. Wenn der an die Klemme 21 angelegte Eingangs strom positiv ist, ist die Ausgangsspannung des Verstärkers 10 positiv, weil keine Phasenumkehr vorhanden ist. Die Diode 12 ist in Fluß richtung vorgespannt, so daß bei zunehmenden Werten des positiven Eingangsstroms die Spannung an der Klemme 38 in linearer Weise

zunimmt. Gleichzeitig ist die Diode 15 in Sperrichtung vorgespannt, M

doch nimmt die'Spannung an ihrer Anode und an der Klemme 3 9 ebenfalls etwas zu und zwar infolge der Tatsache, daß die Spannung die an dem Spannungsteiler entsteht, der aus den Widerständen 16 und 40 besteht und der die Klemme 39 mit der Ausgangsklemme 42 verbindet, ebenfalls zunimmt. Wenn umgekehrt der Eingangs strom negativ ist, wird die Diode 12 gesperrt, so daß die Spannung an der Klemme 38 unter dem Einfluß von zunehmenden negativen Werten

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der an den Widerständen 13 und 44 entstehenden Spannung etwas abnimmt, wobei die Widerstände 13 und 44 die Klemme 38 mit der Ausgangsklemme 46 verbindet. Gleichzeitig nimmt die Spannung an der Anode der Diode 15 in negativer Richtung linear zu. Die durch den Funktionsverstärker 10 erzeugten Ausgangskennlinien sind in der beigefügten Figur dargestellt. Die Ausgangssignale an der Klemme 35 werden über den Widerstand 50 an die Ausgangsklemme 46, und die Aus gangs signale an der Klemme 36 über den Widerstand 51 an die Ausgangsklemme 42 angelegt.

Durch die Addition der Ausgangs signale an den Klemmen 38 und 35 wird bewirkt, daß die Übertragungskennlinie an der Klemme 46 "V^H-förm.ig ist, während durch die Addition der Ausgangssignale an den Klemmen 36 und 3 9 an der Klemme 42 eine Übertragungskennlinie mit umgekehrter "V"-Form entsteht. Diese statischen |f Kennlinien gleichen denjenigen, die man von der ersten Stufe eines

herkömmlichen Stufenkoders mit Verwendung entweder Polaritätsentnahme schaltung oder eines Umkehrverstärkers zwischen der Eingangsklemme und einem der Verstärker in der ersten Stufe eines -symetrischsn Köders erhält. Sin Stufenköder, der die Erfindung verkörpert, ist daher in der Lage höhere Kodierungsgeschwindigkeiten zu liefern als ein Köder, der einen Umkehrverstärker verwendet, ferner ist er in der Lage, eine höhere Aus gangs signal-

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leistung zu erzeugen, als die bisherige Polaritätsentnahmeschaltung.

Selbstverständlich sind die oben beschriebenen Anordnungen nur Beispiele für das Erfindungsprinzip. Vom Fachmann können zahlreiche andere Anordnungen vorgeschlagen werden₃ ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen.

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Claims

V..R.Saari 9

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'· Patentansprüche

\_1/ Binäre Kodierungsstufe für einen Stufenkoder mit einer analogen Eingangsklemme, zwei analogen Ausgangsklemmen und zwei Rückkopplungsverstärkern, die jeweils eine Eingangsklemme, eine Ausgangsklemme und zwei Rückkopplungskreise aufweisen, dadurch

W gekennzeichnet, daß die Rückkopplungskreise (25, 26, 27, 28, 30)

des ersten der Rückkopplungsverstärker (11) so angeordnet sind, daß der Verstärker (11) als umkehrender Punktions verstärker wirkt, während die Rückkopplungskreise (12,13, 20, 15, 16) des zweiten der Verstärker (10) so angeordnet sind, daß der Verstärker (10) als nichtumkehrender Funktionsverstärker wirkt und daß eine Verbindung von der analogen Eingangsklemme (21) zu den Eingängen (1* 2) der Verstärker (10,11) führt, daß Widerstände (40,44, 50 und 51)

h die Rückkopplungswege der Verstärker und die analogen Ausgangsklemmen (42, 46) miteinander verbinden, die eine V-förmige Übertragungsleitwertkennlinie zwischen der einen der analogen Ausgangsklemmen und der analogen Eingangsklemme (21) ergeben, ferner eine umgekehrte V-förmige Übertragungsleitwertkennlinie zwischen der zweiten der analogen Ausgangsklemmen (42) und der analogen Eingangsklemme (21).

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2. Binäre Kodierungsstufe nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopp lungs we ge sowohl des. nichtumkehrenden als auch des umkehrenden Funktionsverstärkers eine Reihenschaltung eines Widerstands und einer nichtlinearen Einrichtung aufweisen, wobei die nichtlinearen Einrichtungen entgegengesetzt geschaltet sind, ferner eine Verbindung zwischen dem Widerstand und der Diode eines ersten Rückkopplungswegs des nichtumkehrenden Verstärkers und der ersten analogen Eingangsklemme, weiter- * hin einer Verbindung zwischen dem Widerstand und der nichtlinearen Einrichtung des ersten Rückkopplungswegs des umkehrenden Verstärkers, dessen Diode zur selben Zeit nichtleitend ist, in der die Diode im ersten Rückkopplungsweg des nichtumkehrenden Verstärkers leitet, zu der ersten Ausgangsklemme und schließlich Verbindungen zwischen den Dioden und Widerständen des zweiten Rückkopplungswegs jedes Funktionsverstärkers zu der zweiten analogen Ausgangsklemme. ' . Λ

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