DE1762974A1

DE1762974A1 - Analog-digital-wandler

Info

Publication number: DE1762974A1
Application number: DE19661762974
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl-Ing Maria Paulus
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-01-20
Filing date: 1966-01-13
Publication date: 1973-07-19
Also published as: DE1762974B2

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER

703 BOBLINGEN SINDELFINGER STRA8SE 49

üeufschös Pafeniamt

Jfir

Anmelderin :, Amtliches Aktenzeichen :

Aktenzeichen der Anmelderin :

Böblingen, 9. August 1967 gg-ha

International Business Machines Corporation, Armonk N. Y. 10

Ausscheidung aus Patentanmeldung J 29 821 VIIIa/21al, 36/00

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Analog-Digital-Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf Analog-Digital-Wandler zur direkten Umwandlung des Logarithmus elektrischer Analogwerte in Binärzahlen in paralleler Darstellung.

Derartige Einrichtungen werden in der Fernmeldetechnik, insbesondere in der Steuer- und Regeltechnik und der Fernmessung und Fernsteuerung benötigt. Ein Hauptanwendungsgebiet ist auch immer dort vorhanden, wo Analog- und Digitalrechner gleichzeitig zum Einsatz

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kommen und deswegen ständig von analogen auf digitale Werte / >

übergegangen werden muss.

Bei den bekannten Analog-Digital-Wandlern werden die elektrischen Analogwerte nicht direkt in digitale Werte umgesetzt, sondern es wird ein Umweg über geeignete Zwischengrössen vorgezogen.

So wird beispielsweise eine umzusetzende Spannung mit einer zeitlinear ansteigenden Sägezahnspannung verglichen. Die Zeit vom Beginn des Ansteigens der Sägezahnspannung bis zum Erreichen der Grosse der zu messenden Spannung ist proportional dieser Spannung. Diese Zeit wird gemessen und digital dargestellt.

Bei anderen Wandlern wird die Anzahl der Einheiten, die die zu messende Spannung enthält, dadurch ermittelt, dass mit Digital-Analog Wandlern die gleiche Grosse hergestellt wird oder daß von der umzusetzenden Grosse so lange Einheiten subtrahiert werden, bis die Differenz kleiner als eine Einheit geworden ist.

Sollen nicht elektrische Spannungen, sondern elektrische Ströme umgesetzt werden, so werden zunächst die Ströme über den Spannungsabfall an Widerständen in proportionale Spannungen umgewandelt.

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Die technisch einfacheren der genannten, bekannten Analog-Digital-Wandler haben teilweise ein für heutige Begriffe zu geringes Auflösungsvermögen, teilweise sind sie zu ungenau oder zu langsam. Auch die technisch aufwendigeren Wandler bieten noch nicht die geforderten Eigenschaften. Werden aber die angestrebten Eigenschaften erreicht, so ist der zu treibende Aufwand unverhältnismässig gross.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit vertretbarem Aufwand den Aufbau genauer, schnell arbeitender Analog-Digital-Wandler mit, verglichen mit bekannten Wandlern, grossem und verhältnismässig einfach zu erreichendem Auflösungsvermögen zu ermöglichen.

Die Lösung besteht für die zur direkten Umwandlung elektrischer Analogwerte in Binärzahlen in paralleler Darstellung dienenden Wandler darin, daß eine der Binär stellenzahl (n) entsprechende Anzahl linearer Gleichspannungs- bzw. Gleichstromverstärker mit definierten, binär von 2 . g bis 2 . g in logarithmischem Masse abgestuften Verstärkungen in Abhängigkeit von der Grosse des umzuwandelnden Wertes über jeweils einen jedem Verstärker nachgeschalteten und über einen jeweils zugeordneten Schwellwertschalter gesteuerten Umschalter entweder in Serie geschaltet oder überbrückt werden, wobei jeder Umschalter mit seinen beiden möglichen Stellungen einer Binärstelle zugeordnet ist und der Analogeingang am Eingang des ersten, die höchste Verstärkung

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und der Analogausgang am Ausgang des letzten, die niedrigste Verstärkung aufweisenden Verstärkers liegt.

Einen vorteilhaften Analog-Digital-Wandler erhält man dadurch, daß der Analogwert dem Eingang des Verstärkers mit der grössten Verstärkung zugeführt wird, daß die Verstärkeraus gangs spannungen einen jeweils nachgeschalteten Schwellwertschalter, dessen Schwellwert einer binären "1" entspricht, derart steuern, daß der Eingang eines jeweils folgenden Verstärkers mit dem Ausgang des davorliegenden Verstärkers verbunden ist, wenn dessen Aus gangs spannung kleiner als der Schwellwert ist (binäre "0"), daß er aber mit dem Eingang des davorliegenden Verstärkers verbunden ist, wenn dessen Aus gangs spannung gleich oder grosser als der Schwellwert ist (binäre "1"). Das Auflösungsvermögen lässt sich in einfacher Weise durch Wahl der erfindungsgemäss festgelegten Verstärkung bzw. der Grosse des Schwellwertes festlegen und ist praktisch nur durch die technisch erreichbaren Verstärkungen beschränkt. Auch kleinste Analogwerte können direkt umgewandelt werden. Die Umwandlungsgeschwindigkeit wird lediglich durch die Trägheit der verwendeten Schaltelemente begrenzt.

Vorteilhafterweise führt man einen erfindungsgemäss en Analog-Digital-Wandler so aus, daß jeweils der Eingang eines Verstärkers mit dem einen Eingang einer Torschaltung verbunden ist, daß der Verstärkerausgang einem den Schwellwert bestimmenden Schmitt-Trigger und einem von diesem

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gesteuerten Modulator zugeführt ist, der nur in der "Aus"-Stellung des Schmitt-Triggers die Ausgangsspannung des Verstärkers dem anderen Eingang der Torschaltung zuleitet, und daß die Torschaltung jeweils die dem Betrag nach grössere Eingangsgrösse dem Eingang des nächsten Verstärkers zuführt.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Figuren 1 bis 4, die ein Ausführungsbeispiel eines Analog-Digital-Wandlers betreffen, näher beschrieben.

Es zeigen :

Fig. 1 das prinzipielle Blockschaltbild,

Fig. 2 das prinzipielle Ausführungsbeispiel eines

Analog-Digital-Wandlers,

Fig. 3 den erfindungsgemässen Wandler gemäss

Fig. 2 mit dem Unterschied, daß die dort verwendeten Schalter durch das Blockschaltbild eines rein elektrischen Schalters ersetzt sind,

Fig. 4 den schaltungsmässigen Aufbau dieses

Schalters.

Die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele sind jeweils für drei Binärstellen a bis a ausgelegt, lassen sich aber selbstverständlich für beliebig viele Binärstellen erweitern. Demgemäss ist η ν ,„«ο 309829/096?

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in Fig. 1 jedem Verstärker Vl bis V3 ein Schalter Sl bis S3 zugeordnet.

2 0

Die Verstärkungen der Verstärker Vl bis V3 sind binär von 2 bis 2 abgestuft. In Abhängigkeit von der Grosse des umzuwandelnden Analogwertes werden die Verstärker durch die Schalter in Serie geschaltet oder aber überbrückt.

Figuren 2 und 3 zeigen die prinzipielle Verwirklichung eines erfindungsgemässen Analog-Digital-Wandlers. Der Wandler besteht aus η-linearen Gleichspannungsverstärkern, wobei η die Binärstellenzahl und 2 die Anzahl der Stufen angibt. Die Verstärkungen sind abgestuft von 2 " . g_Q> 2 " . g_Q, .. . 2 . g_Q, 2 . g_Q bis gO, gemessen

in db. Der Verstärker am Analog-Eingang hat dabei die grösste Ver-

n-1

Stärkung 2 . g_ndb« Der Faktor g bedeutet dabei einen für jeden Verstärker konstanten Verstärkungsfaktor, der entsprechend den Anforderungen, insbesondere bezüglich des Auflösungsvermögens, gewählt wird. Der Ausgang jedes Verstärkers ist mit einem für jede Stufe gleichen Schwellwertschalter Sl' bis S3' verbunden, der in Fig. 2 aus einem mechanischen Umschalter in Verbindung mit einer Einrichtung, die den Schwellwert R bestimmt, besteht. Liegt die Verstärkerausgangsspannung unter dem Schwellwert R, so befindet sich der Umschalter in der Lage "0", liegt aber die Ausgangs spannung oberhalb des Schwellwertes R, so befindet sich der Umschalter in der Lage ¹¹I". Die Umschaltung erfolgt jeweils bei über- bzw. Untersqhreitung des Schwellwertes R. In der Lage ¹¹O" ist

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-7-jeweils der Ausgang eines Verstärkers mit dem Eingang des nächsten Verstärkers verbunden, während in der Lage "1" der Eingang des zugehörigen Verstärkers mit dem Eingang des nächstfolgenden Verstärkers verbunden ist. Die Lage der Umschalter "0" und "1" ist kennzeichnend

und 3 für den Wert der einzelnen Binärkoeffizienten a , a J. Die Wertigkeit der einzelnen Binärstellen ergibt sich aus der Abstufung der Verstärkung der einzelnen Verstärker.

Die Wirkungsweise des Analog-Digital-Wandlers sei im folgenden an Hand der Tabelle näher beschrieben. Die zu kodierende Spannung u

werde dem Analog-Eingang El zugeführt. Sämtliche Schwellwertschalter Sl' bis S3' befinden sich im Aus-Zustand, d.h. sämtliche Verstärker Vl bis V3 sind in Serie geschaltet und tragen entsprechend ihrer Einzelverstärkung zur Gesamtverstärkung des Wandlers bei. Solange die zu kodierende Eingangs spannung u nur eine solche Grosse hat, daß die Ausgangsspannung u , kleiner als der Schwellwert R ist, bleiben sämtliche Schalter in der Lage "0". Dementsprechend ist der am Digital-Aus gang angezeigte Binärwert 000. Die Gesamtverstärkung des Wandlers ist in

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diesem Falle g . (2 +2 + 2 ) = 7g . Steigt nunmehr die Eingangs Spannung

u an, bis die Aus gangs spannung u den Wert R erreicht, so wird der e a

Schwellwertschalter S3' betätigt. Der Verstärker V3 trägt nun nicht mehr zur Gesamtverstärkung bei die nur noch g . (2 + 2 ) = 6g beträgt. Am Digital-Aus gang erscheint der Binärwert 001.

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Dieser Vorgang setzt sich mit steigender Eingangs spannung u in logischer Weise fort bis sämtliche Umschalter betätigt sind und demnach am Digital-Aus gang der Binärwert 111 erscheint. Die Gesamtverstärkung des Systems ist immer ein ganzzahliges Vielfaches von g db. Sie lässt sich immer als (a . 2 + a . 2 + a . 2 ) . g

\) X £a J w

darstellen. Jeder der Koeffizienten a , a und a kann nur die Werte 0 oder 1 annehmen. Der Wert jedes Koeffizienten entspricht der Lage des zugeordneten Umschalters. Der in Fig. 3 dargestellte Wandler ents pricht dem in Fig. 2 dargestellten Analog-Digital-Wandler mit dem Unterschied, daß ein rein elektronischer Schwellwertschalter verwendet ist. Ein Schwellwertschalter besteht aus einem Schmitt-Trigger ST, einem Modulator M und einer Torschaltung Ofür analoge Signale. Die Torschaltung O hat zwei Eingänge und einen' Aus gang. Legt man an die beiden Eingänge Spannungen, so erscheint die dem Betrag nach grössere am Ausgang der Torschaltung. Der Modulator M sei so beschaffen, daß im "Ein"-Zustand die ideale Kennlinie, Ausgangs spannung gleich Eingangs spannung, maßgebend ist. Im "Aus "-Zustand sei die Aus gangs spannung unabhängig von der Eingangs spannung gleich Null. Der Ausgang beispielsweise des Verstärkers Vl ist mit dem Steuereingang des Schmitt-Triggers STl verbunden. Der Schmitt-Trigger STl bestimmt den gewählten Schwellwert R. Ausserdem wird der Verstärkerausgang dem Eingang des Modulators M zugeführt.

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Das Ausgangspotential des Schmitt-Triggers STl ist charakteristisch für den Binärkoeffizienten a . Er entspricht im geschalteten Zustand einer binären "1" (Eingangsspannung grosser als Schwellwert R) und im Ruhezustand einer binären "0" (Eingangsspannung kleiner als Schwellwert R). Der Ausgang des Schmitt-Triggers steuert ausserdem den Modulator. Bei Vorliegen einer binären "1" erscheint am Modulator - Ausgang die Spannung 0 und bei Vorliegen einer binären "0" erscheint die Eingangsspannung des Modulators M, die gleich der Verstärkerausgangsspannung ist, am Ausgang des Modulators. Der Verstärkereingang und der Modulatorausgang führen auf die beiden Eingänge der Torschaltung Öl, deren Ausgang mit dem Eingang der nächsten Stufe verbunden ist. Liegt die Verstärkerausgangsspannung unterhalb des Schwellwertes R, befindet sich der Schmitt-Trigger STl in seiner Ruhelage. Am Ausgang a erscheint eine binäre "0". Der Modulator Ml befindet sich im "Ein."-Zustand, so daß die Verstärkerausgangsspannung am einen Eingang der Torschaltung Ol

ist
anliegt. Da diese Spannung grösser/als die unverstärkte Eingangs spannung des Verstärkers, wird sie über den Ausgang der Torschaltung Ol dem Eingang der nächsten Stufe zugeführt, d. h. der Verstärker Vl trägt zur Gesamtverstärkung bei. Erreicht die Verstärker aus gangs spannung den Schwellwert des Schmitt-Triggers STl, so erscheint am Ausgang a eine binäre "1". Der Modulator Ml wird in den "Aus"-Zustand gebracht, so daß er dem einen Eingang der Torschaltung Ol die Spannung 0 zuführt. Da die Verstärkereingangs spannung grosser als 0 ist, wird diese über die Torschaltung Ol dem Eingang der nächsten Stufe zugeleitet. Der Verstärker Vl

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trägt nunmehr nicht mehr zur Gesamtverstärkung bei, er ist überbrückt.

Ein funktionsfähiges Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung bestehend aus Schmitt-Trigger ST, Modulator M und Torschaltung O ist in Fig. 4 abgebildet. Der Schmitt-Trigger besteht aus den beiden Transistoren TRl und TR2. Der gemeinsame Emitter wider stand R2, die beiden Kollektorwiderstände R4 und R5 zusammen mit dem zwischen Kollektor aus gang des Transistors TRl und der Basis des Transistors TR2 liegenden Widerstandes R6 und der Widerstand R3 vervollständigen die Schaltung. Der Spannungsteiler, gebildet aus den Widerständen R4, R6 und R3, legt die Basis von Transistor TR2 an eine negative Spannung, die etwa dem gewünschten Schwellwert R entspricht. Der Kollektor des Transistors TR2 ist über ein Kopplungsglied, bestehend aus Widerstand R7 und Kondensator Cl, mit der Basis eines Transistors TR3 verbunden, der zusammen mit den beiden Widerständen R8 und R9 eine Verstärkerstufe bildet. Der Kollektor aus gang des Transistors TR3 stellt gleichzeitig den Digital-Aus gang a dar und ist über den Widerstand RIO mit dem Emitter eines Transistors TR4 verbunden, der die Funktion des bereits beschriebenen Modulators M ausübt. Die Basis dieses Transistors liegt am Eingang EH des Schmitt-T riggers. Der Emitter aus gang des Transistors TR4 ist mit der Basis eines Transistors TR5 verbunden, der zusammen mit einem Transistor TR6 und dem gemeinsamen Emitterwiderstand RlI die Torschaltung O bildet. Jeweils die grössere der beiden den Basen der

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Transistoren TR5 und TR6 zugeführte Spannung steht am Ausgang der Torschaltung an der Buchse All zur Verfügung. Solange die der Klemme Eil zugeführte negative Spannung (Aus gangs spannung eines Verstärkers) unter dem Schwellwert R liegt, ist der Transistor TRl gesperrt, und der Transistor TR2 ist leitend. Damit ist auch der Transistor TR3 leitend und am Digital-Ausgang a steht eine negative Spannung, was einer binären "0" entspricht. Diese dem Emitter des Transistors TR4 zugeführte negative Spannung bewirkt, daß die von der Klemme Eil der Basis dieses Transistors zugeführte Ver stärker ausgangs spannung zur Basis des Transistors TR5 geleitet wird. Da die Verstärkerausgangsspannung grosser als die der Klemme El2 und damit der Basis des Transistors TR6 zugeführte Ver stärker eingangs spannung ist, wird die Verstärkerausgangsspannung über die Klemme All zum Eingang des Verstärkers der folgenden Stufe weitergeleitet. Ist die der Klemme Eil zugeführte negative Spannung (Aus gangs spannung eines Verstärkers) grosser als der Schwellwert R, soist der Transistor TRl leitend und er Transistor TR2 gesperrt. Damit ist auch der Transistor TR3 gesperrt und am Digital-Ausgang steht eine Spannung von etwa 0 Volt, was einer binären "1" entspricht. Die 0 Volt liegen nunmehr über den Widerstand RIO am Emitter des gesperrten Transistors TR4 und an der Basis des Transistors TR5. Da die der Klemme E12 bzw. der Basis des Transistors TR6 zugeführte Verstärkereingangs spannung dem Betrag nach grosser ist als die der Basis des Transistors TR5 zugeführte Spannung, wird sie über die Klemme All zum Eingang des Verstärkers der folgenden Stufe weitergeleitet. Docket 25 489

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Claims

PATEN TANSPRUCHE

Analog-Digital-Wandler zur direkten Umwandlung des Logarithmus elektrischer Analogwerte in Binärzahlen in paralleler Darstellung, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Binär Stellenanzahl (n) entsprechende Anzahl linearer Gleichspannungs- bzw. Gleichstromverstärker (Vl bis Vn) mit definierten, binär von 2 . g bis 2 . g in logarithmischem Masse abgestuften Verstärkungen in Abhängigkeit von der Grosse des umzuwandelnden Wertes über jeweils einen jedem Verstärker nachgeschaltetem und über einen jeweils zugeordneten Schwellwertschalter gesteuerten Umschalter (Sl bis Sn) entweder in Serie geschaltet oder überbrückt werden, wobei jeder Umschalter mit seinen beiden möglichen Stellungen (0, 1) einer Binärstelle (a -a ) zugeordnet ist und der Analogeingang am Eingang des ersten, die höchste Verstärkung und der Analogausgang am Ausgang des letzten, die niedrigste Verstärkung aufweisenden Verstärkers liegt.

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2. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ι .' zeichnet, daß der Analog-Wert (u ) dem Eingang (El) des Verstärkers (Vl) mit der grössten Verstärkung zugeführt wird, daß die Verstärkerausgangsspannungen einen jeweils nachgeschalteten Schwellwertschalter (Sl¹ - Sn'), dessen Schwellwert (R) einer binären "1" entspricht, derart steuern, daß der Eingang des jeweils folgenden Verstärkers mit dem Ausgang des da vorliegenden Verstärkers verbunden ist, wenn dessen Ausgangs spannung kleiner als der Schwellwert (R) ist (binäre "0"), daß er aber mit dem Eingang des davorliegenden Verstärkers verbunden ist, wenn dessen Aus gangs spannung gleich oder grosser als der Schwellwert (R) ist (binäre ¹¹I").
3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Eingang eines Verstärkers mit dem einen Eingang einer Torschaltung (O) verbunden ist, daß der Verstärkerausgang einem den Schwellwert (R) bestimmenden Schmitt-Trigger (ST) und einem von diesem gesteuerten Modulator (M) zugeführt ist, der nur in der "Aus"-Stellung des Schmitt-Triggers die Ausgangsspannung des Verstärkers dem anderen Eingang der Torschaltung (O) zugeleitet, und daß die Torschaltung (O) jeweils die dem Betrag nach grössere Eingangsgrösse dem Eingang des nächsten Verstärkers zuführt.

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