DE1930275B2

DE1930275B2 - Analog-Digital-Wandler

Info

Publication number: DE1930275B2
Application number: DE1930275A
Authority: DE
Inventors: Armin Heinz Rueschliken Frei (Schweiz)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-06-20
Filing date: 1969-06-13
Publication date: 1980-05-08
Also published as: US3701148A; ES368545A1; GB1257722A; FR2011257A1; SE350889B; CH484562A; FR2011257B1; BE731722A; DE1930275C3; DE1930275A1; NL6905591A

Description

u„ = 1/2" · /;. ■ K,

9. Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber (C) sowohl die Bildung der analogen Spannungsimpulse (umsteuert als auch Impulse zwecks Ableitung der normierten Meßimpulse (u\ bis abliefert.

10. Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen ! bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Meßschaltungen auf die Summe der ihr in Impulsform zugeführten Energie anspricht und an ihrem Digitalausgang (Di bis D_n) eine binäre »1« anzeigt, wenn die Energie einen Schwellwert überschreitet

11. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Auftreten einer binären »1« am Digitalausgang einer Meßschaltung (Si bis S„-i) in den Meßleitungen (L, bis L_n _i) derart gesteuert werden, daß sie die Weiterleitung des an der Bildung dieser »1« mitbeteiligten Meßimpulses gleicher Ordnungszahl unterbinden.

12. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten einer binären »1« an einem der Digitalausgänge (Di bis D₁,-,) die Meßleitung gleicher Ordnungszahl durch das eingefügte Mittel kurzgeschlossen und dadurch an der Bildung dieser binaren »1« mitbeteiligte Meßimpuls auf dieser Leitung total reflektiert wird.

13. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die binären Daten an den Digitalausgängen (Di bis D_n) direkt seriell abgegriffen werden, wobei die Frequenz (Q des

Taktgebeis (C)höchstens gleich ist.

14. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (Q des

Taktgebers (C) höher als gewählt wird, so daß die

digitalen Darstellungen benachbarter, umzuwandelnder Analogimpulse sich zeitlich überlappen.

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler

4^r) zur iterativen Bestimmung des Binärwertes von analogen Spannungsimpulsen, wobei eine Übertragungsleitung vorgesehen ist, über die die Zufuhr der analogen Spannungsimpulse erfolgt, und wobei an die Übertragungsleitung in Abständen einer bestimmten

^r>() Impulslaufzeit eine der Binärstellenzahl entsprechende Anzahl von Meßschaltungen mit Digitalausgang angeschlossen ist.

Analoge Darstellung ist die natürliche Form der Erfassung beliebiger Vorgänge in der gesamten

T> Technik. Die Verarbeitung der ermittelten Werte aber erfolgt sehr oft vorteilhafter in digitaler Form. Die Zahl der Anwendungsmöglichkeiten für die Umwandlung von Analog- zu Digital-Darstellung kennt daher keine Grenzen. Solche Wandler sind in der gesamten

w) Elektronik anzutreffen, besonders dort, wo anfallende Information nur mittelbar einem Zweck dienlich gemacht werden kann. Vor allem im Gebiet der Prozeßsteuerung, der Informations- und der Nachrichtentechnik werden immer mehr Analog-Digital-Wand-

h^r) ler benötigt. Dies ist eine Folge der Vorteile, welche die Übermittlung, Verarbeitung und Speicherung von Daten in digitaler Form bieten.
Die in der Technik bekanntgewordenen Analog-Digi-

tal-Wandler arbeiten generell nach folgendem Prinzip. Die vorhandenen Analogwerte werden zu bestimmten Zeiten abgetastet und für die Weiterverwendung gespeichert Anschließend werden diese Abtastwerte beispielsweise durch Vergleich mit Bezugsgrößen ^r> mehrfach gemessen, um die zugehörigen Digitalwerte zu ermitteln. Letztere können direkt oder nach Zwischenspeicherung der Weiterverwendung zugeführt werden. Da sich der Meßvorgang für jeden Abtestwert wiederhat, ist bei großer Analogbandbreite der Wunsch nach hoher Arbeitsgeschwindigkeit verständlich.

Jede der genannten Einzeloperationen kann mit sehr verschiedenartigen Schaltelementen ausgeführt werden. Die Erfahi-ung lehrt, daß vor allem aktive Elemente r> wie Verstärker, Impedanzwandler und rückgekoppelte Schaltungen dem raschen Arbeiten eine Grenze setzen. Daher ist es von großer Wichtigkeit, zur Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit auf aktive Schaltelemente soweit als möglich zu verzichten und nur die schnellsten 2» unter ihnen zu verwenden. Gleichzeitig muß aber auch das Umwandlungsverfahren auf seine Eignung hinsichtlich hoher Arbeitsgeschwindigkeit erprobt sein. Je weniger verkettete Einzelschritte zur Gesamtoperation einer Analog-Digital-Wandlung gehören, umso besser 2"> eignet sich ein Verfahren für schnelles Arbeiten.

Die Qualität der erzielten Resultate hän^i ebenfalls eng mit der Art der verwendeten Schaltelemente und deren Anzahl zusammen. Einfache Schaltung und Vermeiden aktiver Elemente bieten beste Gewähr für in hohe Genauigkeit. Es wird dadurch nicht nur unerwünschte Zeitverzögerung vermieden, sondern auch eine allfällige Qualitätseinbußc, beispielsweise wegen Impulsverformung, kann auf ein Mindestmaß eingeschränkt werden. Mit den bekannten Wandlern ist es r> nicht immer gelungen, die erwähnten Nachteile zu vermeiden. Meistens lag das daran, daß die Umwandlungsverfahren infolge innerer Verkettung der Operationen für hohe Arbeitsgeschwindigkeit ungeeignet oder z. B. wegen vorkommender analoger Addierschaltungen zu ungenau waren.

Für sehr schnell arbeitende Analog-Digital-Wandler ist bereits aus der Zeitschrift »Frequenz« 18 (1964), Nr. 10, Seilen 325 bis 331 die Anwendung von Tunneldioden als Amplitudendiskriminatoren bekannt. -r>

Der DE-AS 12 32 201 ist ein Analog-Digital-Wandler zu entnehmen, bei dem das umzusetzende Signal über mehrere parallele Laufzeilanordnungen geführt wird, über die die zu codierenden Amplitudenwerte nacheinander geeigneten Diskriminatoren zugeführt werden, w Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß das umzusetzende Signal einer äquidistante Anzapfungen, an die die Diskriminatoren angeschlossen sind, aufweisenden Laufzeitleitung zugeführt wird. Eine zweite Laufzeitanordnung bestehend aus Schieberegi- v> stern unterschiedlicher Stufenzahl wird dann von den Diskriminatoren mit den abgeleiteten binären Werten gespeist. Bei der tatsächlich funktionsfähigen Ausführung dieses Wandlers handelt es sich um eine trotz des Einsatzes von Tunneldioden in den verwendeten Diskriminatoren sehr aufwendige Anordnung.

Schließlich ist aus der US-PS 31 56 913 ein Analog-Digital-Wandler zur iterativen Bestimmung des Binärwertes von analogen Spannungsimpulsen bekannt, bei dem im Prinzip eine Übertragungsstrecke vorgesehen as ist, über die die Zufuhr der analogen Spannungsimpulse erfolgt. An dieser Übertragungsstrecke ist in Abständen von einer bestimmten Impulslaufzeit eine der Binärstellenzahl entsprechende Anzahl von Meßschaltungen mit Binärausgang angeschlossen. Nachteilig bei diesem Wandler ist insbesondere, daß für die recht aufwendigen Meßschaltungen getrennte Synrhronisationseinrichtungen und Bezugssignalgeneratoren vorzusehen sind.

Ausgehend von der letztgenannten Wandlerart ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Analog-Digital-Wandler aufzuzeigen, der geeignet ist, einen großen Informationsfluß zu verarbeiten. Das angewandte Umwandlungsverfahren soll dank seiner Einfachheit hohe Arbeitsgeschwindigkeit gewährleisten.

Durch Auswahl geeigneter Übertragungsleitungen, Meßschaltungen, Meßleitungen und Schaltmittel soll die Arbeitsgeschwindigkeit des Wandlers derart gesteigert werden, daß er dank seiner Breitband-Charakteristik zur Verarbeitung von Signalen im Gebiet der Mikrowellen verwendet werden kann.

Außerdem soll der erfindungsgemäße Wandler ein großes Auflösevermögen gewährleisten und dieses mi! guter Konstanz beibehalten. Die Qualität der Umwandlung soll damit höchste Ansprüche erfüllen.

Die Erfindung, wie sie im Hauptanspruch gekennzeichnet ist, löst diese Aufgabe. Vorteilhatte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers in allen Einzelheiten beschrieben. Diesen Erläuterungen dienen auch die Zeichnungen. Es zeigt

F i g. I die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 wie durch Falten der Leitung /.«die Meßstellen 1 bis 3 zusammengedrückt werden können.

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Kurzschlußschalters S_n für Meßleitungen mit der zugehörigen Steuerung.

Das in der Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Analog-Digital-Wandlers umfaßt an der linken Seite die Elektronik zur Erzeugung der Impulse. Sie wird gesteuert durch den Taktgeber C. Sein Ausgang mit der Impulsfolgefrequenz Λ ist an den Abtastschalter Si und an einen Impulsgenerator PC angeschlossen. Der Abtastschalter Si verbindet die Anschlußklemme A für Analogspannung mit einer Übertragungsleitung L,, deren Ende rechts korrekt mit dem ihr eigenen Wellenwiderstand ^,abgeschlossen ist.

Der Impulsgenerator PG besitzt eine Anzahl Ausgänge, die je an eine Meßleitung angeschlossen sind. In der schematischen Darstellung sind drei Ausgänge mit den Meßleitungen L\. Li und Li gezeigt. Letztere können gleicher Art sein wie die bereits genannte Übertragungsleitung L». Sowohl beim Anschluß an den Impulsgenerator, als auch am Ende sind diese Meßleitungen daher mit dem passenden Wellenwiderstand Z_n abgeschlossen. Im Gegensatz zur Leitung L> besitzt jede der Meßleitungen einen der Kurzschlußschalter Si bis Si. Wie später zu erklären sein wird, sind diese Schalter dazu bestimmt, unter gewissen Bedingungen und an einer bestimmten Stelle die entsprechende Meßleitung kurz zu schließen.

Auf der Leitung Lq befinden sich in regelmäßigen Abständen Meßstellen, welche mit Ziffern bezeichnet sind. Die Anzahl der Meßstellen hängt von der gewünschten Genauigkeit der digitalen Darstellung ab. Für jede Meßstelle wird eine am Impulsgenerator PC angeschlossene Meßleitung benötigt. In der Zeichnung sind die Meßstellen 1 bis 3 angeschrieben, welchen die bereits genannten drei Meßleitungen Z,, bis Li entspre-

chen. Jede einzelne Meßstelle ist über einen Widerstand R mit der Anode einer Tunneldiode TD verbunden. Die Kathoden aller Tunneldioden führen an die gemeinsame Masse oder auf Erdpotential. Alle Tunneldioden sind vom gleichen Typ und haben einen sogenannten Höckerstrom I_n.

An der Anode jeder Tunneldiode TD sind ein oder mehrere weitere Widerstände R\ angeschlossen. Die Anzahl der angeschlossenen Widerstände R\ entspricht der Ordnungszahl der mit der betreffenden Tunneldiode verbundenen Meßstelle. So ist bei der Meßstelle 1 nur ein Widerstand R\ mit der zugehörigen Tunneldiode TD verbunden. Das andere Ende dieses Widerstandes führt zu einem Punkt auf der Meßleitung Li. der vom Anfang derselben so weit entfernt ist, daß ein Impuls bis dahin dieselbe Laufzeit braucht wie vom Anfang der Leitung Lq an bis zur Meßstelle 1. Bei der Meßstelle 2 sind jedoch zwei Widerstände Λ, vorhanden. Von der Anode der entsprechenden Tunneldiode TD führt der eine zu einem Anschlußpunkt auf der Meßleitung L\ und der andere zu einem solchen auf der Meßleitung L^. Beide Anschlußpunkte sind vom Anfang ihrer Leitungen so weit entfernt, daß Impulse dorthin dieselbe Laufzeit benötigen wie vom Anfang der Übertragungsleitung L_n an bis zur Meßstelle 2. Die Meßleitung L\ trägt nun bereits zwei Anschlüsse, deren zeitlicher Abstand demjenigen der Meßstellen 1 und 2 auf der Übertragungsleitung La entspricht.

Bei der Meßstelle 3 wiederholt sich die Schaltung von Meßstelle 2. Dazu kommt aber noch ein dritter jo Widerstand R\, der von der Anode der Tunneldiode TD zu einem Anschlußpunkt auf der Meßleitung L₃ führt. Auch dieser Anschluß liegt vom Anfang der Leitung Li zeitlich gleich weit entfernt, wie die Meßstelle 3 vom Anfang der Leitung L₀. Die Anschlußpunkte auf den y, Meßleitungen Li — L₃ liegen also zeitlich jeweils genau unter den Meßstellen auf der Übertragungsleitung L₀. Auch die gegenseitigen Laufzeit-Abstände sind auf den Meßleitungen dieselben wie die entsprechenden Abstände auf der Leitung L₀.

Vom Impulsgenerator PC aus gesehen folgt in jeder Meßleitung in gewissem Abstand nach dem ersten Anschluß eines Widerstandes R\ einer der mit Si bis S₃ bezeichneten Kurzschlußschalter. Jeder Kurzschlußschalter wird vom Potential an der Anode einer zugehörigen Tunneldiode gesteuert, wie dies gestrichelt angedeutet ist. Die Anode jeder Tunneldiode ist nämlich noch mit einem der entsprechenden Anschlüsse D\ bis Di verbunden, an welchem die Anodenspannung der Tunneldiode abgegriffen werden kann. Im Ruhezustand ist das Potential aller Anschlüsse D\ bis Ds gleich Null und die Kurzschlußschalter S\ üis S3 sind offen. Tritt an einem der Anschlüsse Di bis £h ein positives Potential in Erscheinung, dann wird der entsprechende Kurzschlußschalter geschlossen. Die Schaltung nach der F i g. 1 arbeitet wie folgt Von einer an die Klemme A gelegten Analogspannung gelangen über den Abtastschalter 5b Spannungsimpulse u im Rhythmus der Taktfrequenz f_s auf die Übertragungsleitung Lo. Diese wandern in Pfeilrichtung mit einer der Leitung Lo eigenen Ge- «i schwindigkeit ν zum rechten Ende und werden dort im Abschlußwiderstand schließlich vernichtet Mit dem gleichen Rhythmus erzeugt der Impulsgenerator PG vom Taktgeber C gesteuert auf jeder der vorhandenen Meßleitungen einen Meßimpuls u\ bis t/3. Die Meßimpulse laufen synchron mit dem Analogimpuls u entlang den Leitungen nach rechts, denn auf allen Leitungen L₀ bis L3 haben die Impulse gleiche Laufzeiten.

Der hier dargestellte Analog-Digital-Wandler ist für eine größte Analogspannung

U₁₁₁^=U=I₁,- R

ausgelegt. Höhere Spannungswertc können nicht mehr in entsprechende Digitalwerte umgesetzt werden. Der Impulsgenerator PC erzeugt deshalb normierte Meßimpulse, d. h. solche mit einer ganz bestimmten Spannungsamplitude. Der erste dieser Impulse ist

ο, = 1/2/,,- A₁,
der zweite

Bei einer Meßstellenzahl π mit ebensovielen Meßleitungen, wäre der n-te Meßimpuls

u„= 1/2" ■ l_p ■ /?,.

Nach Ablauf einer gewissen Zeit gelangt der Analogimpuls u zur Meßstelle 1 auf der Übertragungsleitung L₀. Gleichzeitig erreicht der Meßimpuls u\ den ersten Anschlußpunkt eines Widerstandes R\ auf der Meßleitung Li. Unter dem Einfluß dieser zwei Spannungswerte fließt durch die angeschlossene Tunneldiode TD ein

Strom " +\/2lp. Wenn dieser Strom den Wert I₁, de«

Höckerstromes überschreitet, dann schaltet die Tunneldiode zu einer höheren positiven Spannung um. An der Klemme D\ kann in diesem Fall der Binärwert »1« abgegriffen werden. Wird aber der Höckerstrom I_P nichi erreicht, dann bleibt der Spannungswert an der Tunneldiode verhältnismäßig klein, was einer binären »0« entspricht

Von der Bildung des ersten Digitalwertes hängt abet die Steuerung des Kurzschlußschaltefs Si in der Meßleitung L· ab. Bei eindeutig positivem D₍ — entsprechend einer binären »1« — wird der Schalter Si geschlossen, so daß daran der an der Meßstelle 1 bei der Bildung von D₁ mitbeteiligte Meßimpuls U\ total reflektiert wird. Er steht unter diesen Bedingungen aul der Leitung Li für weitere Messungen nicht mehr zur Verfügung. Im Gegensatz hierzu bleibt der Schalter Si offen, wenn am Digitalausgang D\ eine binäre »0« erscheint und der beteiligte Meßimpuls U\ bleibt auf der Meßleitung L, während seiner Bewegung für weitere Messungen verfügbar. Von der Meßstelle 1 laufen die Impulse in der Zeit r zur Meßstelle 2. Hatte jedoch D eine binäre »1« angezeigt, so fehlt jetzt bei der zweiter Messung der betreffende Impuls u\.

Der Vorgang an der Meßstelle 2 ist dem bereit« beschriebenen völlig gleich. Nur der Strom, der durch die Tunneldiode TD fließt, setzt sich jetzt ander« zusammen- Er besteht aus drei Komponenten, nämlich:

Da der Binärfaktor D\ entweder »1« oder »0« sein kann fällt die zweite Stromkomponente unter Umständer weg, wie dies vom Meßimpuls u\ bereits gesagt worder ist Wiederum hängt es von der Umschaltung dei zugehörigen Tunneldiode TD ab, ob an der Klemme D eine binäre »1« oder »0« abgegriffen werden kann unc gleichzeitig ob der von da aus gesteuerte Kurzschluß schalter S₂ geschlossen wird oder offen bleibt Be geschlossenem Schalter S₂ würde diesmal der an dei Meßstelle 2 mitbeteiligte Meßimpuls «2 total reflektier

und damit aus den nachfolgenden Meßoperationen verschwinden.

Von der Meßstelle 2 an vergeht wieder die Zeit τ bis die Impulse an der Meßstelle 3 angelangt sind. Hier wird zum dritten Mal nach dem gleichen Verfahren ein ι weiterer Binärwert Dj ermittelt. Der Strom durch die Tunneldiode kann insgesamt vier Komponenten umfassen, wenn keiner der früheren Binärwerte »1« war. In der Schaltung nach Fig. 1 ist dies die letzte Messung und die an der Klemme D> abgefühlte Spannung der letzte Digitalwert. Der Kurzschlußschalter Sj kann deshalb wegfallen. Wird aber höhere Genauigkeit oder besseres Auflösevermögen verlangt, dann können weitere Meßstellen entlang der Übertragungsleitung L₀ angelegt werden. Jede zusätzliche Meßstelle erheischt ii auch eine weitere Meßleitung und eine Tunneldioden-Schaltung zur Ermittlung des zugehörigen Binärwertes. Die Grenze des Auflösevermögens ist dann erreicht, wenn die letzte oder kleinste Meßstufe in der Größenordnung der Toleranz liegt, mit welcher die Betriebsdaten der verwendeten Schaltelemente behaftet sind.

Die bisher anhand der Fig. I beschriebene Arbeitsweise bewirkt, daß die Binärwerte in der Reihenfolge ihrer Erzeugung, d. h. seriell an den mit Dbezeichneten 2> Digitalausgängen, angeboten werden. Dank der Schaltgeschwindigkeit der Tunneldioden ist die Verzögerung der Digitalanzeige gering. Im dargelegten Ausführungsbeispiel erscheinen die einzelnen Digitalwerte mit einem zeitlichen Abstand r. Durch Zwischenspeiche- jo rung oder entsprechende Verzögerung der zuerst anfallenden Bits kann der ermittelte Digitalwert auch parallel abgenommen werden. Ein Analog-Digital-Wandler dieser Art mit η Meßstellen ermittelt die η Bits seiner Digitalanzeige in der Zeit (η-\)τ. Wird der s>

Taktgeberfrequenz f_s= gewählt, dann ist die

Umwandlung eines bestimmten Analogimpulses mit der /j-ten Binärstelle beendet und im Zeitabstand r davon wird bereits die erste Binärstelle des nächsten Analogimpulses angezeigt.

Die Abtastfrequenz Λ des Wandlers kann aber weiter erhöht werden, wobei sich die Anzeigen der zu benachbarten Analogimpulsen gehörigen Digitalwerte zeitlich überlappen. So wird z. B„ bei einer Taktgeber-

frequenz Λ= - . das n-te Bit des ersten Analogimpulses

gleichzeitig mit dem ersten Bit des n-ten Analogimpulses an verschiedenen Digitalausgängen erscheinen. In diesem Fall sind in ein und demselben Moment η so Digitalanzeigen abgreifbar, welche zur digitalen Darstellung von η verschiedenen Analogimpulsen gehören. Die höchste verwendbare Abtast- oder Impulsfolgefrequenz /j kann aber noch wesentlich höher liegen, wie im folgenden erläutert wird.

Maßgebend für diese oberste Frequenzgrenze ist die Anstiegszeit der Schaltfunktion der Kurzschlußschalter S\ bis S_n. Beispielsweise muß der Schalter S2 aus der Folge der Meßimpulse U2 jeweils einzelne Impulse durch Kurzschluß reflektieren, d. h. am Weiterlaufen hindern, _bo und zwar jedesmal, wenn am Digitalausgang Di unter Mitwirkung der betreffenden Impulse 112 eine binäre »1« angezeigt wird. Die Packungsdichte der Meßimpulse 112 kann also beliebig groß gemacht werden, solange der Schalter £2 präzise genug arbeitet, um Einzelimpulse ohne Störung ihrer unmittelbaren Nachbarn zu reflektieren.

Um diesen Zweck zu erfüllen, muß aber der Schalter Si auch an der richtigen Stelle in der Leitung Li liegen. Jede Meßschaltung mit Tunneldiode sowie der durch diese gesteuerte Kurzschlußschalter reagieren mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung. Die gesamte Verzögerungszeit vom Eintreffen der eine binäre »1« erzeugenden Impulse an der Meßstelle 2 bis zum wirksam gewordenen Kurzschluß im Schalter Si sei mit Tu bezeichnet. Der Schalter Sj muß nun von der Meßstelle 2 im zeitlichen Abstand γα stehen, um den richtigen, an der betreffenden binären »1« beteiligten Meßimpuls Ui zu reflektieren. Damit diese Bedingung nicht zu kritisch wird, kann beispielsweise die Schaltfunktion und damit die Dauer des Kurzschlusses künstlich verlängert werden.

Es ist aber zu bedenken, daß die reflektierten Impulse ihre Laufrichtung umkehren und der Leitung entlang zum Impulsgenerator PG zurücklaufen. Ein reflektierter Impuls Uz passiert also die Meßstelle 2 auf dem Rückweg noch einmal. Es muß daher verhindert werden, daß ein vorwärts und ein rückwärts laufender impuls gleichzeitig eine Meßstelle erreichen, denn deren Überlagerung würde eine falsche Anzeige an dieser Stelle verursachen. Die Bedingung lautet:

J\

wobei m eine beliebige ganze Zahl ist. Da der Kurzschluß des Schalters Si verhindern soll, daß ein bestimmter Meßimpuls ui auf der Leitung £.2 zu weiteren Meßstellen gelangt, darf außerdem die Verzögerung r« des Kurzschlusses nicht langer sein als die Laufzeit eines Impulses von einer Meßstelle zur nächsten: τ «< r. Die zwei genannten Bedingungen sind wichtig, denn das korrekte Funktionieren des Wandlers hängt von ihrer Erfüllung ab. Zur Verwirklichung eines Analog-Digital-Wandlers der hier beschriebenen Art sind noch folgende Überlegungen von Bedeutung. Die bei den Meßstellen angeschlossenen Widerstände R und R₁ belasten natürlich die betreffende Leitung. Deshalb müssen sie verglichen mit dem Wellenwiderstand Z₍₁ einen hohen Wert haben. Dadurch wird den Impulsen entlang den Leitungen nicht zuviel Energie entzogen und an den Meßstellen praktisch keine Reflexion verursacht. Wenn nötig kann Inhomogenität der Leitungen durch künstliche Belastung wieder ausgeglichen werden. Die Konstanz der Impulsspannungen entlang den Leitungen wird durch Wahl der geeigneten Leitungsparameter erhalten, weil andernfalls die Genauigkeit des Wandlers beeinträchtigt würde.

Die Kurzschlußschalter in den Meßleitungen bilden ihrerseits mögliche Fehlerquellen. Damit ihr Durchgangswiderstand in geschlossenem Zustand das Umwandlungsergebnis nicht verschlechtert, muß er mindestens um den Faktor 2" kleiner als die Leitungsimpedanz sein. Diese Forderung ist im Vergleich mit denjenigen, welche bei gleicher Genauigkeit für andere Wandlertypen aufgestellt werden müssen, verhältnismäßig leicht zu erfüllen. Der vorliegende Analog-Digital-Wandler unterscheidet sich dadurch sehr vorteilhaft von solchen, die nicht einfach ein Mindestmaß, sondern absolute Genauigkeit zur Durchführung der Umwandlung erfordern. Für die Kurzschlußschalter eignen sich beispielsweise Schottky-Dioden, welche später noch erwähnt werden. Die Eigenschaften der Leitungen L₀ bis L_n spielen für die Qualität des Wandlers ebenfalls eine Rolle. Die nach neueren Verfahren hergestellten streifenförmigen, unter der Bezeichnung »microstrip«

bekannt gewordenen Arten dürften sich hierfür eignen. Allfällige Strahlungsverluste können sowohl durch die Wahl passender Anschlußwiderstände (R, R,) als auch durch Einstellen des Höckerstromes /,, ausgeglichen werden.

In der angewandten Technik von heute spielt die Packungsdichte bei elektronischen Geräten eine überaus wichtige Rolle. Der hier erläuterte Analog-Digital-Wandler läßt sich dank der Einfachheit seiner Schaltung auf kleinem Raum verwirklichen. Wie in F i g. 2 dargestellt, können beispielsweise die Meßstellen 1 bis η durch Falten der Leitungen so zusammengerückt werden, daß auch die Meßschaltungen mit den Tunneldioden nahe beieinander liegen. Der Herstellung derselben in integrierter Bauweise in einem einzigen Block sollte unter diesen Umständen kein Hindernis entgegenstehen. Durch Stapeln aller (n+\) Leitungen und Verwendung integrierter Schaltungen kann mit außerordentlich kleinem Raumbedarf zur Ausführung dieses Wandlers gerechnet werden.

In der F i g. 3 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Kurzschlußschalters S„ für eine Meßleitung L_n dargestellt. Er besteht aus einer Brücke von vier Schottky-Dioden, deren eine Diagonale in der Meßleitung L_n liegt und bei Stromdurchgang den Kurzschluß bewirkt. Die Steuerung der Diodenbrücke erfolgt von der Anode einer Tunneldiode TD aus über Kettenverstärker DA, deren Ausgangsspannung auf die zweite Diagonale gegeben wird. Die Kettenverslärker bilden eine zweistufige Kaskade zur Verwandlung des Datensignals an der Klemme D_n in eine symmetrische Steuerspannung für den Schalter S„. Der erste Verstärker DA\ stellt eine Phasenumkehrsiufe ohne Verstärkung dar, während die Verstärker DA} gemeinsam das Signal auf den notwendigen Pegel zur Aussteuerung der Diodenbrücke bringen. Auch hier gilt.

daß das Total der Reaktionszeit Tunneldiode - Verstärker—Schalter k'einer als oder höchstens gleich τ zu sein hat.

Auf den erläuterten Analog-Digital-Wandler zurück- ί blickend läßt sich feststellen, daß darin keinerlei statische Speicherung vorkommt. Dank der temporären dynamischen Speicherung auf einer Übertragungsleitung kann ein großer Informationsfluß bewältigt werden. Die Umwandlung erfolgt kontinuierlich und bei

H) großer Geschwindigkeit. Alle Signale im Wandler treffen nur auf passive Widerstände oder schnellschaltende Halbleiterelemente, so daß kaum ein Mindestmaß an Verzögerung auftritt. Die Güte des Analog-Digital-Wandlers wird nicht durch Verformung von Impulsen

i) beeinträchtigt, weil letztere weder Verstärker, noch Rückkopplungsschaltungen, noch Impedanzwandler durchlaufen müssen. Auch die Erzeugung der Meßimpulse bietet keine Schwierigkeit, da sie von einem einzigen Generator oder direkt vom Taktgeber

-·ι> abgeleitet und durch Dämpfungsglieder auf den gewünschten Pegelwert gebracht werden können. Nicht zuletzt lassen sich unerwünschte Reflexionen auf den Leitungen durch passenden Abschluß derselben und Kompensation von Inhomogenitäten vermeiden.

2"i Die genannten Vorzüge bürgen für einen Analog-Digital-Wandler, der hohe Ansprüche bezüglich Qualität erfüllen kann. Er bietet ausgezeichnete Genauigkeit im Ergebnis dank der neuartigen Verwirklichung des gewählten Umwandlungsverfahrens. Diese, verbunden

κι mit der hervorragenden Konstanz der Betriebsbedingungen, erlaubt ein ungewöhnlich hohes Auflösevermögen, d. h. eine große Anzahl Bits pro Analog-Abtastwert. Durch die Einfachheit der Schaltung und deren Anordnung ist die Möglichkeit zur Herstellung in

π kompakter Bauweise gegeben, wodurch eine erhebliche Kostensenkung erreicht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Wandler zur iterativen Bestimmung des Binärwertes von analogen Spannungsimpulsen, wobei eine Übertragungsleitung vorgesehen ist, über die die Zufuhr der analogen Spannungsimpulse erfolgt, und wobei an die Übertragungsleitung in Abständen einer bestimmten Impulslaufzeit eine der Binärstellenzahl η entsprechende Anzahl von Meßschaltungen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß η Meßleitungen (L\ bis L_n) zwecks Zufuhr von normierten Meßimpulsen zu den Meßschaltungen vorgesehen sind, wobei entsprechend ihrer Ordnungszahl fortlaufend die erste Meßschaltung an die erste, die zweite an die erste und zweite und schließlich die n-te Meßschaltung an alle η Meßleitungen angeschlossen ist, daß das Eintreffen der Meßimpulse und der analogen Spannungsimpulse an den Meßschaltungen synchronisiert ist und daß in jeder Meßleitung außer der letzten (L] bis L„-\) Schaltmittel (Si bis S_n-1) vorgesehen sind, die jeweils über eine Steuerleitung mit dem Digitalausgang der Meßschaltung gleicher Ordnungszahl (Di bis D₁₁₁) verbunden sind und die Weiterleitung von Energie auf der betreffenden Meßleitung (Li bis L„-1) unterbinden können.

2. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung (La) über einen gesteuerten Abtastschalter (So) direkt mit einer Anschlußklemme (A) für Analogspannung verbunden und am anderen Ende mit dem passenden Wellenwiderstand (Z₁) abgeschlossen ist.

3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitungen (Li bis L_n) unter Wahrung ihrer Anpassung einzeln an einen Impulsgenerator (PG) angeschlossen und am anderen Ende mit dem richtigen Wellenwiderstand (Zu) abgeschlossen sind.

4. Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastschalter (Si) wie auch der Impulsgenerator (PGJdirekt mit einem Taktgeber (C) verbunden sind.

5. Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltungen je aus einer Tunneldiode (TD) bestehen, welche mit ihrer Anode über Widerstände (R bzw. R\) an die Übertragungs- bzw. die Meßleitungen (L\ bis L_n) und mit der Kathode an Masse, d. h. Erdpotential angeschlossen sind.

6. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel in den Meßleitungen (L\ bis L_n ,) Kurzschlußschalter (Si bis S_n ι) sind, welche jeweils hinter dem ersten, aber nicht weiter weg als beim zweiten Meßanschluß, vom Anfang einer Meßleitung her gesehen, eingefügt sind.

7. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußschalter (Si bis S„-i) in einer Brückenschaltung aus vier Schottky-Dioden bestehen.

8. Analog-Digital-Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßimpulse (u\ bis U_n) entsprechend der Ordnungszahl der Meßleitung, auf der sie laufen, normiert sind nach der Beziehung: