DE1762407B1

DE1762407B1 - Analog digital umsetzerstufe

Info

Publication number: DE1762407B1
Application number: DE19681762407
Authority: DE
Inventors: Foerster Roy Paul
Original assignee: Bunker Ramo Corp
Current assignee: Bunker Ramo Corp
Priority date: 1967-06-12
Filing date: 1968-06-11
Publication date: 1971-04-29
Also published as: GB1180503A; NL6807785A; US3577139A; FR1572607A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Umsetzerstufe Aus der USA.-Patentschrift 3 161 868 ist eine

für eine Einrichtung zum Umsetzen von Analog- Schaltung für eine Umsetzerstufe bekannt, die in Ab-

signalen in nach dem Gray-Code verschlüsselte Binär- hängigkeit eines analogen Eingangssignals ein säge-

signale, bestehend aus einer eine V-förmige Über- zahnförmiges analoges Rest-Ausgangssignal liefert, tragungslinie aufweisenden Verstärkerschaltung mit 5 Mit einer derartigen Übertragungscharakteristik kann

einem Analogsignaleingang, einem Digitalsignalaus- jedoch eine Gray-Codierung nicht durchgeführt

gang zum Ableiten eines vom Pegel des am Analog- werden.

signaleingang anliegenden analogen Eingangssignals Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

abhängigen Binärsignals und mit einem Analog- einfach aufgebaute und auch bei hohen Umsetzerge-

signalausgang. io schwindigkeiten zuverlässig arbeitende Umsetzerstufe

Bei Umsetzerstufen dieser Art wird dem Analog- anzugeben, der analoge Eingangssignale in nach dem signaleingang der Umsetzerstufe ein zu codierendes Gray-Code codierte Ausgangssignale abgibt. Diese Signal zugeführt. Dieses Signal wird in ein digitales Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, und ein analoges Ausgangssignal zerlegt. Das digitale daß die Verstärkerschaltung einen Differentialver-Ausgangssignal stellt eine 1-Bit-Aussage dar, die an- 15 stärker enthält, von dem der eine Eingang über eine gibt, in welches von zwei Bereichen das Analogein- niederohmige Impedanz mit einer Bezugspotentialgangssignal fällt. Der Analogsignalausgang trägt das quelle und über einen Richtleiter mit dem Analoganaloge Rest-Ausgangssignal, welches als Analog- signaleingang verbunden ist, während der andere Einsignal den Wert des analogen Eingangssignals in dem gang über einen entgegengesetzt gepolten Richtleiter genannten digitalen Bereich angibt. Dieses analoge 20 mit dem Analogsignaleingang in Verbindung steht Rest-Ausgangssignal der einen Umsetzerstufe dient und der den Analogsignalausgang der Umsetzerstufe als Analogeingangssignal für die nächste der einzel- darstellende Ausgang des Differentialverstärkers zum nen in Kaskade geschalteten Stufen eines Umsetzers. anderen Eingang rückgekoppelt ist.
Die einzelnen digitalen Ausgangssignale der Um- In der hiermit angegebenen Schaltung zum Umsetzer bilden die einzelnen Ziffern einer dem Analog- 25 setzen eines analogen Eingangssignals in ein digitales eingangswert entsprechenden Zahl. Ausgangssignal und ein analoges Rest-Ausgangs-

Um die Fehlergröße bei einer auftretenden fehler- signal kann die V-förmige Übertragungscharakteristik

haften Codierung möglichst klein zu halten, verwen- für das Rest-Ausgangssignal nicht durch Laufzeit-

det man üblicherweise die Gray-Codierung. Diese unterschiede in der Schaltung gestört werden, wo-

Codierung hat die Eigenschaft, daß beim Übergang 30 durch eine einwandfreie Codierung im Gray-Code

von einer digitalen Zahl auf die nächst benachbarte gewährleistet ist. Der Differentialverstärker arbeitet

nur eine Ziffer geändert wird. invertierend oder nichtinvertierend, je nachdem ob

Durch die USA.-Patentschrift 3 187 325 ist bereits der an ihm anliegende Eingangssignalpegel vom Beein Umsetzer bekannt, der analoge Eingangssignale reichsmittenpegel aus gesehen in der einen oder in im Gray-Code codierte digitale Ausgangssignale 35 anderen Richtung liegt. Die V-förmige Ubertragungsumsetzt. Dieser Umsetzer besteht aus mehreren in charakteristik ist zur Mitte des vorgesehenen BeKaskade geschalteten Umsetzerstufen, deren jede reiches der Umsetzerstufe praktisch symmetrisch, eine V-förmige Übertragungscharakteristik zwischen Dadurch wird ein analoges Rest-Ausgangssignal gedem zugeführten analogen Eingangssignal und dem liefert, dessen Größe von der absoluten Differenz abgegebenen analogen Rest-Ausgangssignal aufweist. 4° zwischen dem Pegel des Eingangssignals und dem Die V-förmige Übertragungskennlinie wird darin in Pegel, welcher der Bereichsmittel entspricht, abhängt, jeder Stufe »stückweise« erzeugt, d.h., die beiden Das Rest-Ausgangssignal aus jeder Stufe wird dem Äste des V werden getrennt gebildet und anschließend Eingang der folgenden Stufe zugeführt. Die Anzusammengefügt. Sie werden in je einem Rückkopp- zahl der verwendeten Stufen wird bestimmt lungspfad eines Verstärkers gebildet. In einer der 45 durch die gewünschte Auflösung des gesamten Umangegebenen Ausführungsformen des Analog-Digital- setzers.

Umsetzers werden die beiden Hälften der Über- Eine vorteilhafte Ausführungsform einer dertragungskennlinien in der Weise zusammengefügt, artigen Umsetzerstufe besteht darin, daß zwischen daß eine Hälfte über einen invertierenden Verstärker den Richtleitern und den Analogsignaleingang ein und die andere Hälfte über eine nicht invertierende so Verstärker geschaltet ist, dessen Ausgang über eine Kopplungseinrichtung an einen Summierungspunkt Parallelschaltung entgegengesetzt gepolter Richtleiter übertragen wird. Diese Schaltung hat jedoch den zu seinem Eingang rückgekoppelt ist. Dieser Schal-Nachteil, daß die beiden verschiedenen, zum Sum- tungsteil bewirkt, daß das digitale Ausgangssignal mierungspunkt führenden Wege in der Praxis stets eindeutig feststellbar ist, da der Null-Durchgang unterschiedliche Laufzeiten aufweisen, was einen 55 rasch erfolgen kann.

Betrieb bei sehr großen Umsetzergeschwindigkeiten Weiterhin ist es vorteilhaft, daß der Eingang des

unmöglich macht. In einer zweiten in der obenge- Verstärkers über einen Stellwiderstand mit einer

nannten Patentschrift angegebenen Ausführungsform Bezugspotentialquelle in Verbindung steht. Durch

ist dieser Nachteil dadurch behoben, daß die beiden diesen Stellwiderstand kann das Eingangssignal auf

Schaltungswege einander angeglichen sind. Diese 60 einfache Weise normiert werden, so daß Änderungen

beiden Schaltungshälften müssen jedoch äußerst sorg- der Bezugsspannungen und der Stufenverstärkung,

fältig aufeinander ausgerichtet werden, was die Schal- aber auch Drifterscheinungen des Verstärkers kom-

tung einerseits sehr teuer und andererseits sehr stör- pensiert werden können.

anfällig werden läßt. Außerdem enthält die zweite Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen

Ausführungsform Mehrfach- oder »Fremd«-Rück- 65 dienen zur Erläuterung dieser Erfindung. Die Zeich-

kopplungswege, welche mehr als eine Stufe umfassen, nungen zeigen in

so daß es äußerst schwierig ist, die Schaltung zu F i g. 1 an Hand eines Diagramms die Darstellung

stabilisieren. einer analogen Größe im Gray-Code,

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F i g. 2 in Form eines zu F i g. 1 ähnlichen Dia- gang 26 für ein analoges Eingangssignal, einen gramms die zum Erzeugen von digitalen Ausgangs- Ausgang 28 für ein digitales Ausgangssignal und Signalen und von Rest-Ausgangssignalen erforder- einen Ausgang 30 für ein analoges Rest-Signal. Das liehe Stufenübertragungskennlinie für die Umwand- analoge Signal E_Iv welches umgesetzt werden soll, lung eines analogen Eingangssignals in ein zyklisch- 5 wird zum Eingang 26 der ersten Stufe geleitet. Der binär codiertes Ausgangssignal, Ausgang 30 jeder Stufe ist mit dem Eingang 26 der

F i g. 3 an Hand eines Blockschaltbildes einen aus folgenden Stufe verbunden. Das von jeder Stufe gemehreren, praktisch identischen Stufen bestehenden lieferte analoge Rest-Ausgangssignal wird in der Umsetzer, wobei die Stufen kaskadenförmig zu- gleichen Weise wie das analoge Eingangssignal zu sammengeschaltet sind, io einer folgenden Stufe übertragen. Das von der Stufe 1

F i g. 4 das Schaltbild einer typischen, dem Stand gelieferte analoge Rest-Ausgangssignal wird mit E_{R v} der Technik entsprechenden Umsetzerstufe, das von der Stufe 1 am Ausgang 28 abgegebene

F i g. 5 Betriebskennlinien der in F i g. 4 gezeigten digitale Ausgangssignal wird mit E₀ _x bezeichnet. Schaltung, Es sei nun auf F i g. 2 Bezug genommen, welche

F i g. 6 das Schaltbild einer bevorzugten Aus- 15 die Arbeitsweise des Umsetzers von F i g. 3 zeigt. Der führungsform der vorliegenden Erfindung und Umsetzer von Fig. 3 wandelt bekanntlich die Pegel

Fig. 7 die Übertragungskennlinie der in Fig. 6 analoger Eingangssignale in zyküsch-binär codierte, gezeigten Schaltung. Signale um. Die Zeile (α) von F i g. 2 ist mit der

Es sei nun auf F i g. 1 Bezug genommen, welche Zeile (α) von F i g. 1 identisch und stellt den Bereich die Art und Weise zeigt, in der eine aus vier Ziffern ao des analogen Eingangssignals dar. Die Zeile (b) von bestehende zyklisch-binäre Zifferngruppe zur Dar- Fig. 2 zeigt die Übertragungskennlinien der Stufe 1 stellung der verschiedenen Pegel eines analogen Si- und die Werte des digitalen Ausgangssignals E₀ ₁ und gnals benutzt werden kann. Es sei darauf hin- des analogen Rest-Ausgangssignals E_{R t} für die vergewiesen, daß die Zeile (a) von F i g. 1 ein analoges schiedenen Pegel des analogen Eingangssignals; Eingangssignal E, _t darstellt, dessen Pegel in dem Be- 25 Zeile (c) von F i g. 2 zeigt die Übertragungskennreich zwischen 0 und 8 Einheiten (z. B. Volt) liegen linien der Stufe 2 von F i g. 3 mit den Werten der in soll. Aus den Zeilen (b), (c), (d) und (e) von F i g. 1 Stufe 2 in Abhängigkeit von dem zugeführten Siwerden die Ziffern der zyklisch-binären Zifferngruppe gnal E_Rl erzeugten Signale .E₀₂ und E_R2. In ähnfür jeden Wert des Eingangssignals bestimmt. Es sei licher Weise zeigen die Zeilen (d) und (e) von F i g. 2 darauf hingewiesen, daß die Verwendung von vier 30 die entsprechenden Übertragungskennlinien der Stu-Ziffern es erlaubt, den Bereich des Eingangssignals fen 3 und 4 von F i g. 3.

E₁₁ in sechzehn verschiedene Pegel zu unterteilen, Es sei darauf hingewiesen, daß die Kennlinien für

wobei jeder Pegel durch eine andere Codeziffern- das digitale Signal, die in den Zeilen (b), (c), (d) gruppe dargestellt wird. Um die zyklisch-binäre und (e) von Fig. 2 dargestellt sind, Schnittpunkte Zifferngruppe für irgendeinen Pegel des Eingangs-, 35 enthalten, welche Zustandsänderungen im Diagramm signals E_1x zu bestimmen, ist es nur notwendig, diesen von F i g. 1 entsprechen. In der Zeile (b) von F i g. 2 Pegel auf der Zeile (α) zu markieren, dann im Dia- ist beispielsweise das Signal E_{0 ±} für die erste Hälfte gramm senkrecht nach unten zu peilen und die vier des Bereiches des Eingangssignals E₁ ₁ positiv und für Ziffern auf den Zeilen (b), (c), (d) und (e) abzulesen. die zweite Hälfte negativ. Dies entspricht der ersten Besitzt beispielsweise das Eingangssignal einen 40 Ziffer in Fig. 1, und zwar einer »0« für die erste Pegel 6,2 auf der Skala 0-8, so kann aus Fig. 1 mit Hälfte des Eingangssignalbereiches und einer »1« Hilfe der gestrichelten Linie eine zyklisch-binäre für die zweite Hälfte des Eingangsbereiches. Man Codezahl 1010 abgelesen werden. Besitzt das Ein- beachte, daß eine positive Polarität des Signals E₀₁ gangssignal etwa einen Pegel 2,8, so ergibt sich eine eine binäre »0« und eine negative Polarität eine zyklisch-binäre Zifferngruppe Olli, was durch die 45 binäre »1« ergibt. Für die folgenden Stufen gilt, daß gestrichelte Linie 22 angedeutet ist. ein positiver Wert des digitalen Signals einer binären

Es ist das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, »1« und ein negativer Wert einer binären »0« enteine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein analoges spricht. So ist beispielsweise in der Zeile (c) von Eingangssignal, so wie es durch die Zeile (α) in Fig. 2 das Signal E_0? für das erste und das letzte F i g. 1 dargestellt ist, in einen entsprechenden Satz 50 Viertel des Eingangssignalbereiches negativ und dazyklisch-binär codierter Ziffern umgesetzt werden zwischen positiv. Dies bezieht sich auf die zweite kann. Wie oben erwähnt, ist in der USA.-Patent- Ziffer in Fig. 1, welche für das erste und letzte schrift 3 187 325 eine Vorrichtung beschrieben, Viertel des Eingangssignalbereiches eine »0« und für welche diese Aufgabe erfüllt. Diese Vorrichtung ist den dazwischenliegenden Teilbereich eine »1« ist. in F i g. 4 der vorliegenden Patentanmeldung dar- 55 F i g. 2 zeigt an Hand der gestrichelten Linien 20 gestellt und repräsentiert den Stand der Technik. und 22 die Umsetzung der Eingangssignalpegel 6,2 Eine der vorliegenden Erfindung entsprechende Um- und 2,8, die auch durch entsprechende gestrichelte Setzungseinrichtung ist in F i g. 6 gezeigt. Die wesent- Linien 20 und 22 in F i g. 1 angedeutet sind. Für liehen Vorteile der in F i g. 6 gezeigten Vorrichtung den Wert 6,2, der durch die gestrichelte Linie 20 gegenüber der in F i g. 4 gezeigten und dem Stand 60 wiedergegeben wird, liefern die Stufen 1 bis 4 von der Technik entsprechenden Vorrichtung werden F i g. 3 in entsprechender Weise die Ziffernfolge 1010, unten erläutert. welche der Codezifferngruppe für diesen Eingangs-

Um den Pegel eines analogen Signals in eine signalwert, der in F i g. 1 angedeutet ist, entspricht, zyklisch-binär codierte Zifferngruppe umzusetzen, In ähnlicher Weise liefern die Stufen 1 bis 4 von können mehrere im wesentlichen identische Stufen 65 Fig. 3 für den Eingangssignalpegel 2,8 die ent-(Stufe 1, Stufe 2, Stufe 3 und Stufe 4) in Kaskade ge- sprechenden binären Signale Olli, welche der in schaltet werden, so wie dies F i g. 3 zeigt. Jede durch F i g. 1 gezeigten Darstellung entsprechen. den Block 24 angedeutete Stufe besitzt einen Ein- Aus den bisherigen Erläuterungen geht hervor,

daß mit Hilfe der in F i g. 2 gezeigten Übertragungs- als Differentialverstärker vorstellen, der einen gekennlinien der Umsetzer von Fig. 3 zyklisch-binär erdeten Eingang 50 besitzt. Die am Ausgang abcodierte Signale in Abhängigkeit von einem analogen gegebene Spannung entspricht dann der Differenz Eingangssignal liefert. Es sei darauf hingewiesen, daß aus dem Erdpotential und dem tatsächlichen Potential die in Fig. 2 gezeigten Übertragungskennlinien für 5 am Eingang, multipliziert mit der sehr hohen Veralle Stufen identisch sind. Im einzelnen spricht bei- Stärkung des Verstärkers. Ist die Verstärkerausgangsspielsweise die Stufe 1 auf das Eingangssignal E₁₁ in spannung nicht übermäßig hoch, so folgt daraus, daß der Weise an, daß sie ein Ausgangssignal E₀ ₁ mit die obenerwähnte Spannungsdifferenz tatsächlich einem Verlauf liefert, welcher das Potential »0« oder sehr klein sein kann.

Erdpotential in der Mitte des Eingangssignalbereiches io Der Verstärker 48 bewirkt eine Phasenumkehr um schneidet. Es sei angenommen, daß der Bereich des 180°. Fließt infolge des Eingangssignals zum Ver-EingangssignalE^ sich von 0 bis 8 Volt erstreckt. stärker 48 ein Strom in positiver Richtung, so ist die Das Signal E_{0 x} kann einen Bereich aufweisen, der Spannung am Ausgang 52 negativ und die Diode 56 beispielsweise von +8 bis — 8 Volt reicht. Besitzt in Sperrichtung vorgespannt. Unter diesen Bedas Eingangssignal E_{1 χ} unter diesen Umständen 15 dingungei* fließt durch den Widerstand 58 kein etwa einen Pegel von +4 Volt, so entspricht das Strom, und die Spannung E_A ist gleich Null. Ist Signal E_{D t} dem Erdpotential. Das Restsignal E_{R χ} andererseits der Eingangsstrom negativ, so ist die entspricht im wesentlichen dem Signal E_{0 v} lediglich Ausgangsspannung positiv, wodurch die Diode 56 in die negative Hälfte des Signals E₀₁ ist invertiert. Das Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so daß die Restsignal E_{R t} kann daher beispielsweise einen Be- ao Spannung E_A positiv wird. Dieser Zusammenhang ist reich von 0 bis +8VoIt aufweisen. Entspricht das in Fig. S, (α) dargestellt. Das Verhältnis zwischen Signal E₀ _t entweder +8 oder —8 Volt, so entspricht der Spannung E_B und dem Eingangsstrom ist in das SignalE_Kl +8 Volt. Entspricht das SignalE_Dl Fig. 5, (Z>) gezeigt und geht aus den obigen Erläutedem Erdpotential, so entspricht auch das Signal E_Rl rungen bezüglich der Spannung E_A hervor.
Erdpotential. 95 Die Signale E_A und E_B werden am Summierungs-Es kann angenommen werden, daß die Stufe 1 eine punkt 42 durch Verbinden des Anschlußpunktes 44 V-förmige Übertragungskennlinie aufweisen soll, um Über den Widerstand 66, den Verstärker 68 und den das SignalE_Rχ von Fig. 2 in Abhängigkeit vom Ein- Widerstand 70 mit dem Anschluß 42 zusammengangssignalß/j erzeugen zu können, Die V-förmige gefügt. Am Verstärker 68 liegt ein Rückkopplungs-Kennlinie sollte zur Mitte des Eingangssignalbereiches 30 widerstand 72. Der Anschluß 46 ist über den Wider-^ symmetrisch sein. Die Stufen 2, 3 und 4 können stand 74 mit dem Summierungspunkt 42 verbunden, identisch zur Stufe 1 sein und dieselbe Kennlinie auf- Da der Verstärker 68 eine Phasenumkehr bewirkt, weisen. Stufe 2 erzeugt das Signal E₀ ₂ aus dem Si- wird die Spannung E_A in ihrer Polarität invertiert, gnal£_Ä1, indem sie das Signal E^₁ invertiert, ver- wobei ein Strom geliefert wird, der in Kombination stärkt und seinen Mittelpunkt auf irgendeinen posi- 35 mit dem durch die Spannung E₃ erzeugten Strom zur tiven Pegel, etwa + 8 Volt, erhöht. gewünschten invertierten, V-förmigen Übertragungs-

Wie oben erwähnt, ist in der USA.-Patentschrift kennlinie von F i g. 5, (c) am Ausgang 42 führt.

3 187 325 eine dem Stand der Technik entsprechende Obwohl die in Fig. 4 dargestellte und dem Stand

Schaltung, welche die verlangte V-förmige Kennlinie der Technik entsprechende Schaltung bei niedrigen

besitzt, beschrieben und hier in F i g. 4 gezeigt. Die 40 Geschwindigkeiten zufriedenstellend arbeitet, ist sie

Schaltung von F i g. 4 kann eine Stufe des Umsetzers bei hohen Geschwindigkeiten unbrauchbar, weil die

von F i g. 3 enthalten. Die V-förmige Kennlinie des Laufzeiten der Signale E₄ und E_B verschieden groß

Restausgangssignals ist in F i g. 5, (c) dargestellt und sind. Ferner ist die Schaltung von F i g. 4 infolge der

kann am Ausgang 42 abgenommen werden. Diese Rückkopplungsschleife vom Ausgang 42 über die

Kennlinie stellt die Summe von getrennt erzeugten 45 Widerstände 64 und 74 zum Eingang 40 instabil.

Signalen E_A und Eb dar, die an den Anschlüssen 44 In der obengenannten Patentbeschreibung sind die

und 46 verfügbar sind. Grenzen der in Fig. 4 gezeigten Schaltung aufgezeigt,

Die Schaltung von Fig. 4 enthält ein nichtlineares und in Fig. 11 dieser erwähnten Patentbeschreibung

Netzwerk, beispielsweise einen Verstärker 48, der ist eine weitere Ausführungsform erläutert, bei der

eine Erdverbindung 50 und einen Ausgang 52 be- 50 die Schaltungswege so ausgeglichen sind, daß keine

sitzt. Der Eingang des Verstärkers 48 ist mit dem Laufzeitdifferenzen auftreten. Die verbesserte, in

Eingang 40 dieser Stufe verbunden. Eine erste Rück- Fig. 11 der erwähnten USA.-Patentschrift dar-

kopplungsschleife des Verstärkers 48 besteht aus der gestellte Ausführungsform enthält zwei identische

Batterie 54, der Diode 56 und dem Widerstand 58. Schaltungshälften in jeder Stufe, die genau angepaßt

Ein zweiter Rückkopplungsweg besteht aus der 55 werden müssen, um einen symmetrischen Zustand zu

Batterie 60, der Diode 62 und dem Widerstand 64. erreichen und einen Betrieb bei hohen Geschwindig-

Das Potential am Eingang des Verstärkers 48 keiten zu ermöglichen. Die Notwendigkeit einer

bleibt praktisch auf Erdpotential. Dies rührt daher, genauen Anpassung verteuert die Schaltung jedoch

daß der Verstärker 48 sowohl eine hohe Strom- als beträchtlich. Außerdem enthält die Schaltung meh-

auch eine hohe Spannungsverstärkung besitzt. Ist 60 rere »FremdÄ-Rückkopplungswege, welche mehr als

dementsprechend die Spannung am Verstärker- eine Stufe umfassen, so daß eine Stabilisierung

ausgang endlich groß, so ist das Potential am Ein- äußerst schwierig ist.

gang vernachlässigbar klein. Genauso verhält es sich Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung

bei begrenztem Verstärkerausgangsstrom, wobei der ist in F i g. 6 dargestellt. Die Schaltung von F i g. 6 Eingangsstrom (ohne die Ströme in den Rückkopp- 65 erfüllt im wesentlichen die gleichen Aufgaben wie

lungsschleifen) ebenfalls vernachlässigbar klein ist. die in der erwähnten USA.-Patentschrift erläuterten

Um die Arbeitsweise des Verstärkers 48 noch mehr Schaltungen, zeigt aber einige unerwünschte Eigen-

zu verdeutlichen, kann man sich diesen Verstärker schäften der dem Stand der Technik entsprechenden

Schaltungen nicht. So sind keine Rückkopplungswege zwischen dem Ausgang und dem Eingang einer Stufe vorgesehen, was der in F i g. 6 gezeigten Schaltung ausgezeichnete Stabilitätseigenschaften verleiht. Außerdem ist die Schaltung so weit symmetriert, daß die beiden »Hälften« der resultierenden V-förmigen Kennlinie nicht über Schaltungswege mit unterschiedlichen Laufzeiten geliefert werden müssen. Die Forderung eines genauen Abgleichs von Widerstandsauf den Spannungsabfall an den Dioden D1 und D 2 zurückzuführen. Liegt nämlich der Pegel des analogen Eingangssignal in der Nähe von + 4 Volt, wird weder die Diode Dl noch die Diode D 2 in Durchlaß-5 richtung vorgespannt. Folglich ist die Rückkopplungsschleife am Verstärker 106 offen, und das Ausgangssignal E₀ des Verstärkers ändert sich bei kleinen Änderungen des Eingangssignals E_t sehr stark.

Es wurde bisher gezeigt, daß das Signal Ε_υ am

schaltelementen ist zudem beträchtlich erleichtert. io Ausgang 110 abgegeben wird. Mit dem Ausgang 110 Schließlich enthält die Schaltung von F i g. 6 einen ist über die digitale Leitung 112 eine Abfühleinrich-Trimmwiderstand, mit dem das Eingangssignal nor- tung (nicht dargestellt) gekoppelt, mit der festgestellt miert werden kann, so daß Änderungen der Bezugs- wird, ob die in der Stufe erzeugte Ziffer in Überspannung und der Stufenverstärkung, auch aber einstimmung mit den obenerwähnten und im Zu-Drifterscheinungen des Verstärkers kompensiert 15 sammenhang mit F i g. 2 erläuterten Kriterien einer werden können. »1« oder einer »0« entspricht. Der Einschnitt 120 in

Die Schaltung von F i g. 6 stellt eine Stufe des in der Kennlinie des Signals E₀ erleichtert das Abfühlen F i g. 3 gezeigten Analog-Digital-Umsetzers dar. Sie der Signalpolarität insoweit, als das Signal sehr rasch enthält einen Eingangsanschluß 100 und einen Aus- vom positiven in den negativen Bereich übergeht, und gangsanschluß 102. Der Eingang 100 ist über einen 20 umgekehrt. Die rechts von der digitalen Leitung 112 Widerstand R1 mit einem ersten Eingang 104 eines in F i g. 6 gezeigte Schaltung liefert das analoge Rest-Verstärkers 106 verbunden. Ein zweiter Eingangs- Ausgangssignal E_R, welches die in F i g. 7 dargestellte anschluß 108 ist geerdet. Der Eingangsanschluß 104 V-förmige Kennlinie besitzt. Das analoge Restist über einen Abgleichwiderstand R 2 mit einer Be- signal E_K wird aus dem Signal E₀ erzeugt. Im einzelzugsspannungsquelle verbunden. Zwischen dem Aus- 25 nen ist dabei der Ausgang 110 über eine Diode D₃ gang 110 und dem Eingang 104 sind erste und zweite mit dem ersten Anschluß 130 eines Differential-Rückkopplungswege vorgesehen. Im einzelnen ent- Verstärkers 132 verbunden. Der Anschluß 130 ist hält eine Rückkopplungsschleife die Diode Dl, die über einen relativ niederohmigen Widerstand R 5 mit mit dem Widerstand R 3 in Reihe geschaltet ist. Eine Erde verbunden. Außerdem ist der Ausgang 110 über zweite Rückkopplungsschleife enthält die Diode D 2, 30 die Diode D 4 und den Widerstand R 4 mit einem die ebenfalls mit dem Widerstand R 3 in Reihe ge- zweiten Anschluß 134 des Differentialverstärkers 132 schaltet ist. Die Dioden D1 und D 2 sind entgegen- gekoppelt. Der Ausgang 136 des Verstärkers 132 ist gesetzt gepolt und parallel geschaltet. mit dem Ausgang 102 der Stufe verbunden.

Der bisher beschriebene Teil der Schaltung von Beim Betrieb der Schaltung von F i g. 6 bewirkt

Fig. 6 spricht auf ein analoges Eingangssignal E₁ an 35 der Differentialverstärker 132 bei positiven Werten und erzeugt das digitale Ausgangssignal E₀, so wie des Eingangssignals E₀ keine Invertierung, bei negain F i g. 7 gezeigt. Nimmt man an, daß die Schaltung tiven Werten des Signals E₀ jedoch eine Invertierung, von F i g. 6 der Stufe 1 entspricht, so wird das analoge Es sei angenommen, daß das Signal E₀ positiv ist. Eingangssignal E₁ , von F i g. 2, Zeile (α), zum Ein- Dann ist die Diode D 3 in Durchlaßrichtung und die gang 100 übertragen und das digitale Signal E_{0 v} das 40 Diode D 4 in Sperrichtung vorgespannt. Die Rückin Fig. 2, Zeile (b), gezeigt ist, am Ausgang 110 ab- kopplungsschleife über den Widerstand R6 ist daher gegeben. geöffnet, und der Verstärker 132 stellt einen Ver-

Es sei angenommen, daß das Signal E₁, so wie in stärker mit der Verstärkung 1 dar. Die erste Hälfte Fig. 7 gezeigt, beispielsweise zwischen 0 und der V-förmigen Kennlinie des in Fig. 7 gezeigten + 8 Volt schwanken kann. Ferner sei angenommen, 45 Signals E_R entspricht daher näherungsweise dem daß die an den Abgleichwiderstand R 2 gelegte Be- positiven Ast der Kennlinie des Signals E₀. Sind die

Dioden Dl und D 3 (und die Dioden D 2 und D 4) in geeigneter Weise angepaßt, so weist das Signal E_R keinen Einschnitt 120 wie das Signal E₀ auf. Die An

zugsspannung etwa — 4 Volt beträgt. Entspricht nun das Signal E₁ einer Spannung von 0 Volt, liefert der Verstärker 106 eine Ausgangsspannung, die groß

genug ist, um einen Rückkopplungsstrom zu er- 50 passung der Dioden ist weniger kritisch, wenn die

Widerstände R₃, R₄ und R₅ gleich groß gemacht

werden. Der resultierende Änpassungsgrad ist für jede Temperatur und für jeden Signalpegel ausreichend.

Ist das Signal E₀ negativ, so wird die Diode D 3 in Sperrichtung und die Diode D 4 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Der Eingang 130 des Verstärkers 132 wird praktisch über den Widerstand R 5 geerdet, welcher im Vergleich zu dem sehr großen Ein-

zeugen, welcher die Spannungsdifferenz zwischen den
Anschlüssen 104 und 108 praktisch auf 0 reduziert.
Angenommen, die Rückkopplungsschleifenverstärkung des Verstärkers 106 hat den Wert 2, so wird am
Verstärkerausgang 110 eine Spannung von + 8 Volt 55
erzeugt. Entspricht andererseits das Eingangssignal E₁
einer Spannung von + 8 Volt, liefert der Verstärker
106 ein negatives Ausgangssignal von — 8 Volt, um
die Eingangsspannungsdifferenz auf den Wert 0 zu
reduzieren. Es kann außerdem angenommen werden, 60 gangswiderstand des Verstärkers 132 einen relativ daß bei einem Pegel von etwa +4 Volt des analogen kleinen Widerstandswert besitzt. Der Widerstand R 5 Eingangssignals der Verstärker 106 am Ausgang schließt den Anschluß 130 demnach praktisch mit näherungsweise eine Spannung mit dem Wert 0 ab- Erde kurz. Dementsprechend fließt vom Verstärkergibt, ausgang 136 ein Rückkopplungsstrom zum Eingangs-Es sei darauf hingewiesen, daß das am Ausgang 65 anschluß 134, durch welchen dieser auf Erdpotential 110 abgegebene und in Fig. 7 dargestellte digitale gehalten wird.

Ausgangssignal E₀ nicht genau linear ist, sondern Aus den obigen Erläuterungen dieser Erfindung

einen Einschnitt 120 aufweist. Dieser Einschnitt ist geht hervor, daß ein verbesserter Analog-Digital-

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Umsetzer geschaffen worden ist, der analoge Eingangssignale in zyklisch-binär codierte Ausgangssignale umformt, sehr stabil ist, sehr schnell anspricht und eine digitale Auflösung in nahezu jedem gewünschten Auflösungsgrad erzeugen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung werden mehrere in Kaskade geschaltete Stufen verwendet Jede Stufe liefert ein digitales Ausgangssignal und ein Rest-Ausgangssignal, das zur folgenden Stufe übertragen wird. Die Rest-Ausgangssignale werden vorzugsweise in jeder Stufe normiert, so daß alle Stufen identisch aufgebaut werden können. Jede Stufe enthält einen Differentialverstärker, welcher Signale, die oberhalb der Bereichsmitte liegen, invertiert und welcher Signale, die unterhalb der Bereichsmitte liegen, nicht invertiert.

Claims

Patentansprüche:

1. Umsetzerstufe für eine Einrichtung zum Umsetzen von Analogsignalen in nach dem Gray-Code verschlüsselte Binärsignale, bestehend aus einer eine V-förmige Übertragungskennlinie aufweisende Verstärkerschaltung mit einem Analogsignaleingang, einem Digitalsignalausgang zum Ableiten eines vom Pegel des am Analogsignaleingang anliegenden analogen Eingangssignals abhängigen Binärsignals und mit einem Analogsignalausgang, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung einen Differentialverstärker (132) enthält, von dem der eine Eingang (130) über eine niederohmige Impedanz (R 5) mit einer Bezugspotentialquelle und über einen Richtleiter (D 3) mit dem Analogsignaleingang verbunden ist, während der andere Eingang (134) über einen entgegengesetzt gepolten Richtleiter (D 4) mit dem Analogsignaleingang in Verbindung steht und der den Analogsignalausgang (102) der Umsetzerstufe darstellende Ausgang (136) des Differentialverstärkers zum anderen Eingang (134) rückgekoppelt ist.

2. Umsetzerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Richtleitern (D 3 und D 4) und dem Analogsignaleingang (100) ein Verstärker (106) geschaltet ist, dessen Ausgang (110) über eine Parallelschaltung entgegengesetzt gepolter Richtleiter (D 1, D 2) zu seinem Eingang rückgekoppelt ist.

3. Umsetzerstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (104) des Verstärkers (106) über einen Stellwiderstand (R2) mit einer Bezugspotentialquelle in Verbindung steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen