DE1931242A1

DE1931242A1 - Verfahren und Anordnung zum Abtasten von elektrischen Signalen und zum Speichern der Abtastwerte

Info

Publication number: DE1931242A1
Application number: DE19691931242
Authority: DE
Inventors: Ringelhaan Dipl-Ing Otmar; Norbert Schaefer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-06-20
Filing date: 1969-06-20
Publication date: 1970-12-23
Also published as: DE1931242B2

Description

Verfahren und Anordnung zum Abtasten von elektrischen Signalen und zum Speichern der Abtastwerte

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Abtasten von elektrischen Signalen und zum. Speichern der Abtastwerte.

Eine Abtast- und Halteanordnung, die auch unter der Bezeichnung "Treppenspannungserzeuger" bekannt ist, enthält einen periodisch betätigbaren Schalter und als analoges Speicherelement einen Kondensator. Der Schalter verbindet den Kondensator während seiner Schließungsphase mit dem Eingangssignal, während er in der Öffnungsphase vom Eingangssignal getrennt ist. Um für sich schnell ändernde Analogsignale eine besonders hohe Qualität der Treppenspannung zu erzielen, muß gewährleistet sein, daß sich einerseits während der Schließungsphase des Schalters die Spannung wirklich auf den entsprechenden Wert der Eingangsspannung auflädt und daß andererseits während der Sperrphase des Schalters diese Spannung unverfälscht erhalten bleibt. Die Aufladung des Kondensators wird um so genauer sein, je kürzer die aus dem Durchlaßwiderstand des Schalters und der Kapazität des Kondensators gebildete Ladezeitkonstante, ist. Die Verfälschung der Kondensatorspannung während der Sperrphase ist um so geringer, je größer die aus dem Sperrwiderstand des Schalters und der Kapazität des Kondensators gebildete Haltezeitkonstante ist. Bei gegebener Schalterqualität, d.h. gegebenem Verhältnis von Sperr- zum Durchlaßwiderstand, bringt eine Variation

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der Kapazität jeweils eine Verbesserung der einen Zeitkonstante und eine Verschlechterung der anderen Zeitkonstante. Die Qualität der Treppenspannung wird daher letztlich allein durch das Schaltverhältnis von Sperr- zum Durchlaßwiderstand des Schalters bestimmt. Diesem Schaltverhältnis sind jedoch technologische Grenzen gesetzt. Es wird insbesondere bei elektronischen Schaltern mit zunehmender Arbeitsgeschwindigkeit schlechter, so daß in diesem Fall die bekannte Anordnung ' den Anforderungen nicht genügt, die beispielsweise bei Analog-Digital-Wandlern gestellt sind.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren j und zur Durchführung dieses Verfahrens eineAbtastund,. Halteanordnung anzugeben, die bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit eine Treppenspannung hoher Qualität erzeugt. Diese weist eine Treppenspannung dann auf, wenn ihre Stufenhöhen exakt sind und ihre Stufendächer horizontal verlaufen.

Ausgehend von einem Verfahren der einleitend geschilderten Art, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den Analogsignalen im Rhythmus eines Taktes amplitudengetreue erste, zeitlich kurze Proben entnommen v/erden, daß diese ersten Proben einer Eingangsspeicheranordnung zugeführt v/erden, daß " der Eingangsspeicheranordnung im Rhythmus des Taktes gegenüber den ersten Proben in der Phase verschobene zweite Proben entnommen werden, deren Dauer größer ist als die der ersten Proben, und daß die zweiten Proben einer Ausgangsspeicheranordnung zugeführt werden, deren Speicherzeitkonstante groß gegen die Eingabezeitkonstante der Eingangsspeicheranordnung ist.

Eine vorteilhafte Verfahrensvariante besteht darin, daß die zweiten Proben einer zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspeicheranordnung eingefügten Kette aus wenigstens einer Zuischenspeicheranordnung zugeführt v/erden, bei aenen die öiiße eo\70^| der Eingabe- und Speicher-

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V BADORIGINAL

zeitkonstante zwischen den durch die erste und letzte Speicheranordnung gegebenen Grenzen in Richtung des Signalflusses zunimmt.

Beide Verfahrensvarianten lassen sich mit einer Abtast- und Halteanordnung für elektrische Signale unter Verwendung von über täktgesteuerte Schalter auf- und entladbaren Kondensatoren in vorteilhafter Weise derart durchführen, daß eine Kettenschaltung von wenigstens zwei aus einem Schalter und einem Kondensator bestehenden Stufen vorgesehen ist, daß für jede Stufe ein Takt gleicher Impulsfolgefrequenz vorgesehen ist, daß bei einer Durchnumerierung der Stufen mit zunehmender Nummer der Stufe eine jeweils größere Impulsdauer des Takt3s vorgesehen ist, daß die Impulse der Takte benachbarter Stufen gegeneinander in der Phase verschoben sind, daß ferner die aus dem Produkt der Kapazität des ersten Kondensators unc\ des Durchlaßwiderstandes des arsten Schalters gebildete Ladezeitkonstante derart bemessen ist, daß während der Schließungszeit des ersten Schalters der e:?ste Kondensator auf die volle Spannung des Abtastwertes aufgeladen wird, daß die aus dein Produkt der Kapazität des letzten Kondensators und des Sperrwiderstandes des letzten Schalters, gebildete Haltezeitkonstante derart groß beinessen ist, daß die am letzten Kondensator anliegende Spannung -röhrend der Impulspausen des Taktes dar letzten Stufe den Anforderungen hinsichtlich der Konstanz ,genügt, und daß gegebenenfalls Zwischenstufen vorgesehen sind, bei denen mit zunehmender Hummer der Stufe die Dauer sowohl der Ladezeitkonstante als auch der Haltezeitkonstante zunimmt.

Die Forderungen an die Eigenschaften der Schalter der ersten Stufen können reduziert werden, wenn bei gegebener

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Impulsfolgefrequenz des Taktes der letzten Stufe Impulsfolgefrequenzen der Takte der vorhergehenden Stufen vorgesehen sind, die mit abnehmender Nummer der Stufen um ein ganzes Vielfaches zunehmen.

Bei gleicher Signalamplitude ergeben- sich kleinere Treppenstufen, wodurch bei gegebener Ladezeitkonstante und gegebener Impulsbreite der gewünschte Endwert der jeweiligen Eingangsspannung besser erreicht wird.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Die Pig.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Abtast- und Halteanordnung. Diese enthält einen Analogsignalgenerator G, der eine Analogspannung U1 abgibt. Diese Spannung wird an ein erstes Glied mit einem·Schalter S1, einem Kondensator C1 und einem Trennverstärker V1 angelegt. Die am Ausgang des Verstärkers V1 auftretende Spannung U2 wird an-ein zweites Glied mit einem Schalter S2, einem Kondensator C2 und einem Trennverstärker V2 angelegt. Der Trennverstärker V2 gibt eine Spannung U3 ab. Der Schalter S1 wird durch einen Takt T1 und der Schalter S2 durch einen Takt T2 gesteuert.

Die Fig.2 zeigt ein Ersatzschaltbild der Schalter S1 und S2 mit Sperrwiderstand Rg und Durchlaßwiderstand R₃₅. Das Verhältnis von Sperrwiderstand zu Durchlaßwiderstand wird als Schaltverhältnis des Schalters bezeichnet und ist für jede Schalterart eigentümlich. Eine große Zeitkonstante während der Öffnungsphase erfordert einen hohen Sperrwiderstand des Schalters und eine kleine Ladezeitkonstante während der Schließungsphase einen geringen Durchlaßwiderstand.

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Schaltverhältnis

Diese Forderungen nach einem gro ^ _{die Er}_ werden erfindungsgemäQ dadurch ™*°W ' ^ _schnell zeugung einer Treppenspannung aus ex _hixltereinändernden Signal in _Wei ^^"^^ungen unterandergeschalteten Abtast- und Haltea _vor.

schiedlicher, jeweils optimaler Bxmensxonx genommen wird.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach ^de^f ^"_{gt daB} und 2 wird anhand der Fig.3 erlauter · _g, _3teuern- Eingangs-Analogsignal U1 und den den SU. " ,„ den Takt T1. Weiter 1st die Spannung 02 » _m. _Ber bzw. am Ausgang des Trennverstärkers ,^«g erste Abtast- und Haltekreis hat » dxnM^* genaue Abtastung, d.h. eine genaue St»-.* ^^^ kurze Ladezeitkonatante. Damit ergi -_ _itkonatante. eine ebenfalls kurze und daher schlec:ht. Hal e_ ^ ^^ Diese reicht Jedoch aus, um dem zwexUn AMn kreis mit dem Schalter S₂ an dem Kondensa or 2 > der Schlieaungsphase des Schalters ^^^ ändernde Spannung U2 anzubieten. Dies er» g _t, lan_Ee Impulsdauer und damit eine lang«,W^ i«^ innerhalb der zweiten Stufe, wodurch 'J^^⁸^. einer großen Haltezeitkonstante """!^₁... _ist zeitkonatante des zweiten Abtast- und ^Ha»=^k"; bei verwendung eines Kondensators gro P

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tolt der Stufenhöhen und der horizontalen Lage de Stufendächer die gestellten Anforderungen erfüllt.

Di. Taktfreouenzen T₂ und T1, »it denen die ^ betrieben werden, sind hi.r zunächst gleich. Hur

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Irapulsdauer der "beiden Taktaignale ist den jeweiligen Ladezeitkonatanten angepaßt. Die Forderungen an die Eigenschaften des ersten Schalters 31 können jedoch noch weiter reduziert werden, wenn die erste Schaltung mit einer höheren Taktfrequenz T1^f betrieben wird, wie es in der Pig.4 dargestellt ist. Der zweite Takt T2¹ hat die halbe Impulsfolgefrequenz des ersten Taktes T1¹ und liegt in der Phase derart, daß jedee zneite Stufendach der Spannung U2· abgetastet nird.

Die Pig.5 zeigt eine praktische Ausführung der Anordnung nach der Pig.1, bei der die Schalter S1 und S2 durch Diodenschaltungen realisiert sind, die durch zueinander inveree Taktspannungen Tt, Ti bzw. T2, 5?2 betrieben werden.

5 Figuren

4 Patentansprüche

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Claims

- 7 Patentonsprüche

Verfahren zum Abtasten von elektrischen Analogsignalen und zum Speichern der beim Abtasten gewonnenen Abtastwerte, dadurch gekennzeichnet, daß den Analogaignalen im Rhythmus eines Taktes amplitudengetreue erste, zeitlich kurze Proben entnommen werden, daß diese ersten Proben einer Eingangsspeicheranordnung zugeführt v/erden, daß der Eingangsspeicheranordnung im Rhythmus des Taktes gegenüber den ersten Proben in der Phase verschobene zweite Proben entnommen werden, deren Hauer größer ist als die der ersten.Proben, und daß die zweiten Proben einer Ausgangsspeicheranordnung zugeführt werden, deren Speicherzeitkonstante groß gegen die Eingabozeitkonstante der Eingangsspeicheranordnung ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zweiten Proben einer zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspeicheranordnung eingefügten Kette aus wenigstens einer Zwischenspeicheranordnung zugeführt v/erden, bei denen in Richtung des Signalflusses sowohl die Größe der Eingabe- und Speicherzeitkonstante .zwischen den durch die Eingangs- und Ausgangsspeicheranordnung gegebenen minimalen und maximalen Zeitkonstantengrößen als auch die Dauer der untereinander phasenverschobenen dritten und gegebenenfalls weiteren Proben der Zwischenspeicheranordnung zunimmt.

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3. Abtast- und Halteanordnung für elektrische Signale unter Verwendung von über taktgesteuerte Schalter auf- und entladbaren Kondensatoren zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Kettenschaltung von wenigstens zwei aus einem Schalter (S1, S2) und einem Kondensator (C1, C2) bestehenden Stufen vorgesehen ist, daß für jede Stufe ein Takt (T1, TZ) gleicher Impulsfolgefrequenz vorgesehen ist, daß bei einer Durchnumerierung der Stufen mit zunehmender Nummer der Stufe eine jeweils größere Impulsdauer des Taktes (H , T2-) vorgesehen ist, daß die Impulse der !Pakte benachbarter Stufen gegeneinander in der Phase verschoben sind, daß ferner die aus dem Produkt der Kapazität des ersten Kondensators (C1) und des Durchlaßwiderstandes (Rp₁) des ersten Schalters (S1) gebildete Ladezeitkonstante (¹C^ ) derart bemessen ist, daß während der Schließungszeit des ersten Schalters (S1) der erste Kondensator (C1) auf die volle Spannung des Abtastwertes (ü1 = U2) aufgeladen wird, daß die aus dem Produkt der Kapazität des letzten Kondensators (02) und des Sperrwiderstandes (Rg₂) des letzten Schalters (S2) gebildete Haltezeitkonstante (tg) derart groß bemessen ist, daß die am letzten Kondensator (02) anliegende Spannung (U5) während der Impulspausen des Taktes (T2) der letzten Stufe den Anforderungen hinsichtlich der Konstanz genügt, und daß gegebenenfalls Zwischenstufen vorgesehen sind, bei denen mit zunehmender Nummer der Stufe die Dauer sowohl der ladezeitkonstante als auch der Haltezeitkonstante zunimmt.
4. Abtast- und Halteanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennze i ebnet, daß bei gegebener Impulsiolgefrequenz des Taktes (T2) der letzten Stufe Impulsfolgefrequenzen der Pakte der vorhergehenden Stufen vorgesehen sind, die mit abnehmender Nummer der Stufen us ein ganzes Vielfaches zunehoen.

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