DE1936179A1

DE1936179A1 - Analog-Digital-Umsetzer fuer aufeinanderfolgende Approximationen von Impulshoehen

Info

Publication number: DE1936179A1
Application number: DE19691936179
Authority: DE
Inventors: Howlett Donald Lane
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1968-07-17
Filing date: 1969-07-16
Publication date: 1970-08-20
Also published as: NL6911023A; JPS4932025B1; FR2013138A1; GB1243433A; US3581305A

Description

Patent assessor · Hoiaberg, den I5. Juli 1969

Dr. G-.3olm;.)fu3r - D 70 967-E¹ '

ϊ/oDoutsche ,Erdöl AO T 69 006

2 HoioberpyEcLrb..

ΪΕΚΑ00 DiTVELOHDStTT ÖÖEPOEATIOH

InS liaot 42 nd Street ITg-.; Tori:, rLY. 10017

Uoß.A.

Analog-Digital-Umsetzer für aufeinanderfolgende Approximationen von Impulshöhen

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital ( A/D )-Umsetzer für aufeinanderfolgende Approximationen von Im- ' pulshöhen, der einen Yergleiohs- und Haltestromkreis enthält. Dieser Umsetzer mit Vergleichs- und Haltestromkreis reduziert wesentlich die Totzeit, die infolge des stufenweisen Entladens eines durch einen Spannungs-Peak aufgeladenen Kondensators entsteht.

Die Erfindung betrifft speziell einen A/D-Umseizer für aufeinanderfolgende Approximationen von Impulshöhen, der auf mit großer Geschwindigkeit anfallende Zufallsimpulse anwendbar ist·

Pur die Auswertung von Kernprozessen ist eine Reihe von Impulshöh»n-Um88tzern handelsüblich. Die meisten dieser Geräte sind Umsetzer vom Rampen-Typ, bei denen eine Ladung in einem Kondensator gespeichert und der Kondensator stufenweise entladen wird· Die dafür erforderliche Anzahl von Stufen lit ein Maß für die Amplitude dei Eingangiimpulaei*

Einen großen Nachteil dieses Umsetzer-Typs bildet das Zeitintervall, das der stufenweise Spannungsabbau des Kondensators erfordert. Während dieses Vorgangs können keine neuen Daten angenommen werden» Dieses Zeitintervall wird Totzeit genannt und ruft Schwierigkeiten bei der Datenauswertung hervor. Deshalb ist es erstrebenswert, die Totzeit minimal zu halten.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen A/D-Umsetzer für Impulshöhen zu bieten, bei dem die Totzeit wesentlich reduziert ist.

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, einen A/D-Umsetzer des Folgen-Approximationstyps zu bieten, bei dem die Totzeit reduziert ist.

Ferner ist es Zweck der Erfindung, einen Folgen-Approximations-A/D-Umsetzer zu bieten, der speziell auf mit hoher Geschwindigkeit anfallende Zufallsimpulse anwendbar ist.

Weitere Zwecke und Vorteile und auch die verschiedenen Neuheitsmerkmale, die die Erfindung charakterisieren, sind im einzelnen in den anhängenden Ansprüchen, die Bestandteil der Beschreibung sind, ausgeführt. Für ein klareres Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile beim Arbeiten und der speziellen Effekte, die durch ihre Benutzung erzielt werden, wird aufi die beigefügten Abbildungen zurückgegriffen und auf diejenigen Teile der -Beschreibung, in denen eine erläuternde Ausführungsform der Erfindung beschrieben und illustriert ist.

Abb. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über die Arbeitsweise des Folgen-Approximations-A/D-Umsetzers naoh der Erfindung vermittelt·

Abb. 2 ist ein schematisciies Diagramm, des Vergleichs- und Haltestromkreises, der im Blockdiagramm der Abb. 1 des vorliegenden Umsetzers enthalten ist.

Abb. 3 ist ein schematisehes Diagramm eines typischen Schalters, wie er in den Abbildungen 1 und 2 verwendet wird.

In Abb. 1 ist ein Blockdiagramm des Umsetzers in Übereinstimmung mit einer erläuternden Ausführungsform der -^rfindiqjg gezeigt. Das Blockdiagramm der Abb. 1 ist für das Verständnis der gesamten Arbeitsweise des hier vorliegenden Umsetzers nützlich.«

Yiiie in Abb. 1 gezeigt ist, ist der Umsetzer mit. einer Eingangsklemme 10 versehen. Von dieser geht es zur Verzögerungsstrecke 12 und zu. dem prallel geschalteten Niveau-Komparator 14«. Wie aus der Abbildung ersichtlich, kann die Verzögerungsstrecke beispielsweise eine 1-Mikrosekunden-verzögerungsstrecke sein. Mit dem Ausgang des

-TT

Komparators 14 ist ein Schalterkontroll-Plip-Flop 16 verbunden« An den Aasgang der Verzögerungsstrecke 12 ist ein Vorverstärker 18 angeschlossen. In dem in Abb. 1 dargestellten Beispiel hat der Vorverstärker 18 einen Verstärkungsfaktor von & * -1·

Das auä dem Vorverstärker 18 kommende Signal geht in einen sog. Vergleichs- und Haltestromkreis:, wie er in Abb. 1 bezeichnet ist. Dieser Vergleichs- und Haltestromkreis besteht aua den Schaltern 40, 42 und 44, dem Arbeitsverstärker 46, dem Halteverstärker 2o_f der Diode 48, dem Haltekondensator 22 und dem Ausgleiohskondensator 50. Mehr Einzelheiten des Vergleichs- und Haltestromkreises sowie der verschiedenen Bauteile werden unten genauer be-

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sprechen.

Der vorliegende Umsetzer-Stromkreis wird ferner gebildet aus dem A/B-Komparator 24, der Schalter- und Summierleitereinheit 26, dem digitalen Ilip-Flop-Hegister 28, dem Zeitregister 30 und der Uhr 52.

Unter Bezugnahme auf Abb. 1 verläuft die gesamte Arbeitsweise des vorliegenden Umsetzer-Stromkreises folgendermaßen ϊ

lin negativer Singangsimpuls geht bei Klemme 10 in den Umsetzer, Dieser Eingangsimpuls wird mit einem vorgegebenen Gleichetromniveau verglichen, so daß unterhalb eines vorgegebenen Fisreaus liegende Signale unberücksichtigt bleiben. Auf diese Weise lösen lediglich ddyenigen Signalimpulse, deren Amplitude größer als das Biskriminatorniveau ist, aen Komparator 14 aus, so daß dieser seinerseits den Schalterkontroll-flip-iPlop 16 anspricht. Dieser Vorgang veranlaßt ein öffnen der Schalter 4-2 und 44 im Vergleichs- und Haltestromkreis, wodurch ein Vergleichsprozeß ermöglicht wird. Die Verzögerungsstrecke 12 sorgt dafür, daß die soeben beschriebene Betätigung der Schalter 42 und 44 durch den Eingangsimpuls erfolgt, bevor dieser den Eingang des Torverstärkers 18 erreicht. Durch den Vorverstärker 18 wird sowohl eine !Impedanzanpassung als auch eine richtige Bemessung der Verstärkung erreicht. In der Praxis ist der S kalter 40, der auf aen Vorverstärker 18 folgt, in letzteren eingebaut. Der besseren Krklarb&rkeit halber wird der B -halter 40 hier jedoch als separate Sinheit betrachtet. Weil der Vorverstärker 18 ein Xaversionsverstarker ist, kommt der Impuls aus ihm als positiver her-» aus. Der den Ausgang des ?orveret§rkere 18 mit dem Ver-

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gleichs- and Haltestromkreis verbindende Schalter 40 ist zu diesem Zeitpunkt geschlossene

In dem "Vergleichs- und Haltestromkreis bilden der Verstärker 46, der einen groben Verstärkungsfaktor hat, die Diode 48 und der Halteverstärker 20 im Endeffekt einen Arbeitsverstärker für positive Impulse mit dem Yerstärkun^sfaktor -1. Dieser Arbeitsverstärker-Kreis spricht auf keine negativen Übergänge an, wenn der Schalter 42

offen ist. Wenn der Eingangsiinpula seinen Spitzenwert erklimmt,

folgt der Aasgang des Halteverstärkers 20 mit einem

Verstärkungsfaktor -1, der genau innerhalb der Frenzen liegt, die durch die Theorie für Arbeitsverstärker gegeben sind. Alle von der Dioäe 48 erzeugten ITientlinearität en werden infolge des Paktors des Verstärkers 46, der bei ca. 80 db liegt, beseitigt. Sobald der Eingangsimpuls seinen Spitzenwert erreicht hat und beginnt, wieder abzu-r fallen, hört die Diode 48 auf zuleiten und somit wird die Verbindung zwischen Iialteverstärker 2o und Haltekondensa^ tor 22 einerseits und dem Verstärker 46 andererseits unterbrochen. Der Kondensator 22 bleibt also mit der Spitzenspannung des Impulses aufgeladen« Daraus folgt, daß der Ausgang des Halteverstärkers 20.auf der Spitzenamplitude des Impulses vertoleibt. Der Halteverstärker 20 besitzt eine sehr hohe Mngangsimpedanz und die 'Diode 48 hat eine sehr schwache Leckage, so daß die Zeitkonstante für die Entladung des Kondensators 22 von der Größenordnung einiger Sekunden ist. Da es jedooh genügt, die Ladung

22 des Kondensator» nur für wenige Mikrosekunden zu halten, kann der Ausgang des Halteverstärkere 20 als Konstant angesehen werden«

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diesem Punkt ab wird die A/B-Umsetasung üblichen W ise aufeinanderfolgender Approximationen vollendet. Ber Ausgang des HalteverstSriters 20 wird in den A/B-Eomparator 24 eingegeben, wo er aiit einer Spannung der Summier-Leiter 26 verglichen wird. Jeder Singang in die Suiamier-Leiter 26 wird durch den Zustand des korrespondierenden digitalen flip-KLop-Begisters 28 kontrolliert. Wenn der betreffende Flip-Flop- sich im Zustand ^H1^W befindet, ist der Sunmier-I^iter-Eingang an ©ine positive Präaiaions-Besragsspannung, ϊ^ , angeschlossen. Wenn sieh der betreffende Flip-Flop jedoch im Zustand "O⁸ befindet, ist der Eingang geerdet. Die Smamier-Iieiter 26 ist binär konstruiert, so daS der erste Üiigang eine Ausgangs spannung von Τκ-β/2 erzeugt, der zweite Eingang erzeugt eine Ausgangs spannung von 7v_e_/4· und m® fort bis mm letzten Singang.

Bas digitale Register 23 beginnt mit dem signifikant eaten Slip-flop im Sustand *1*· Hach ©inen· YeraSgerung von einer Mikrosekunde hat der A/D-£omparstor 24 genügend !Seit su entscheiden^ ob der Ausgang aus der SuBmier-Leiter 26 größer oder kleiner let als der Ausgang aus dem EsIt β verstärker 20· Wenn die Spannung in der Leiter größer ist, wird der Jflip-ΙΊορ surückklappen. So werden alle Plip-PIop* durchgetastet und die Umsetsung damit vollendet· Ist sie vollendet, dann enthält das digitale Register 28 djgemige binire Zahl» die die Amplitude des üngaiagsimpuleea repriaentiert. Diese 2ahl wird an ein digitales Speichereyetem ausgeseben und das digitale Register 28 wird denn auf "O"

ITacli "beendeter Umsetzung selialiet das primäre Kegister 30 den Schalt erkontroll-llip-l'lop 16 zurück und die Schalter 42 und 44 ein. Schalter 42 vervollständigt den Weg und macht aas der Funktion des Halteverstärkers 20 wieder einen Arbeitsverstärkea? und der Haltekondensator wird sehr rasch entladene Die digitalen Schalter werden rückgeschaltet, so* ä&L· die Ausgangs spannung der Suunmi erLeiter 26 verschwindet, α*1ι. 0 YoIt wird. Wenn irgendwo im System eine G-leieJistroma.u.sgleichs-i'ehl er spannung existiert, wird auch der Ausgang des A/D-Komparators 0 Volt haben. Der Ausgang des A/D-lxOitparators 24 wird die gesammelte Fehle?.·spannung multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor des j omparators sein_s der im dargestellten Fall 80 db betraft, i*er Ausgang des Komparators 24 ist sowohl mit dem Sch? lter 44 als auch aait dem Ausgleichskondensator 50 über die Ausgleidisrückkopplungsschleife 52 rückgekoppelt,, Bann ^: ird die Spannung am Sondensator 50 so modifiziert, üL·., der Ausgang des Komparators 24 auf 0-Ve)It getrieben vrrdo Infolgedessen wird jeue üffset~Spannung_? die existieren kiSniatSp kompensiert_o Diese Kompensation findet stt-r "ig sta'ttp ausgenonffiiea während der kurzen Zeitintervalle 6 er UmsetzuTigo

Scha:* 1-er 40 mrd ?oa AusgL-ng des hochfaktorigen Verstärkerc- Ψ5 kontrolliert. Wenn der Bingangsimpuls seinen Spit&unwert erreicht_s schwingt der Ausgang des hoehfaktoralen Verstärkers 46 sehr schnell positiv. Wenn der Ausgang 0 äl)ersehreitet, wird Schalter 40 ausgeschaltet odex geöffnet· Dieses verbindert eine Störung des Funktion!eruns des Vergleichs— und H. ltestromkreises

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während der Umsetzung durch das Auftreten eines anderen Eingangsimpulses. Daraus ergibt sich eine Totzeit von etwa 10 Milcr ο Sekunden oder derjenigen Zeit, die zur Vollendung der Umsetzung erforderlich ist. Wenn mit sehr hohen Impulsraten zurechnen ist, ist es möglich, zwei oder mehr der gezeigten Vergleichs- und Haltestromkreise abwechselnd zu benutzen, so daß einer frei für die Aufnahme neuer Datenimpulse ist, während der andere arbeitet.

Abb. 2 zeigt den in Abb. 1 angegebenen Vergleichsund Haltestromkreis genauer und ausführlicher. Aus Abb. 2 entnimmt man, daß der Verstärker 46 mit einer negativen Eingangsklemme und einer positiv eil 'Eingang ski e/anie versehen ist. Wie gezeigt, ist mit d..m positiven Eingang van Verstärker 46 in Abb. 2 ein Ausgleishs-Eingangs-luaschenwerk verbunden als Äquivalent für den Ausgleichskondensator 50, mit dem Unterschied, daß in Abb. 2 drei Kondensatoren 54, 56 und 58 zusammen mit einem Eingangswiderstand angewendet werden, wobei die Kondensatoren mit einer Signalerde. (SE) verbunden sind» Wie in Abb« 2 gezeigt , ist der Ausgang des Verstärkers 46 mit der negativen Eingangsklemme über einen Stromkreis rückgekoppelt, der eine Diode 60, in Serie einen Widerstand 62 und einen Kondensator 64 enthält. Auch ist die im Ausgangskreis des Verstärkers 46 enthaltene Diode 48, wie gezeigt, im Nebenschluß mit dem Schalter 42. Dieser ist ausführlich schematisch in Abb. 3 dargestellt. Es ist gezeigt, daß mit der Diode 48 und dem Schalter 42 ein weiterer Stromkreis verbunden ist, der d die Diode 66, den Widerstand 68und den Kondensator 70 enthält, wobei der Kondensator 70 mit der Signalerde (SE) in

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gezeigter Weise verbunden ist. Mit der Ausgangskibemme von Schalter 42 und der Diode 48 ist der Halteverstärker 20 (vgl. Abb. 1) verbunden, welcher, wie in Abb„ 2 gezeigt ist, aus den zwei feldeffektiven Transistoren 90 und 92 sowie dem NPN-Transistor 94 besteht. Der Ausgang des Halteverstärkers 20 ist, wie dargestellt, vom Emitter des Transistors 94 abgenommene

Abb« 3 ist ein schematisoh.es Diagramm der verschiedenen Bauteile und Verbindengen des Schalters 42. Die Schalter 40 und 44 sind ähnlich konstruiert. Abb. 3 zeigt, daß der Schalter 42 aus den zwei feldeffektiven Transistoren 96 und 98 besteht. Die Transistoren sind an den Bingangs- und Ausgangsklemmen des Schalters angeordnet. Transistor 96 am Eingang und Transistor 98 am Ausgang. Die zwei Quellenelektroden der Transistoren 96 und 98 sind wie gezeigt in Serie geschaltet und zwischen den Emitterelektroden der Transistoren 96 und 98 sind symmetrisch die Spulen 100 und 102 und die Widerstände 72 und 74 angeordnet. Die Kondensatoren 76 und 78 sind angeschlossen und im Nebenschluß zu ihnen die Widerstände 72 und 74. Die beiden Spulen 100, und 102 sind mit ihren gemeinsamen Enden über den Widerstand 84 an die Signalerde angeschlossen und im Nebenschluß mit den Widerständen 80 und 82 verbunden. Prallel zant Widerstand 84 führt in der dargestellten Viel se der Kondensator 86 zur Signalerde (SE).

Die in den Abbildungen 2 und 3 angegebenen speziellen Werte verschiedener Schaltelemente dienen lediglich der Illustration und sollen nioht die Allgemeingliltigkeit der Erfindung "be schränk en.

Patentansprüche

il0Ö α:%k 4Λ %% k ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

Analog—Digital-Umsetzer für aufeinanderfolgende Approximationen von Impulshöhen, dadurch ge k e η η ze i c h net , daß an die Eingangskiemme (10)

a) der Eingang eines Systems aus einer Verzögerungsstrecke (12), einem Vorverstärker (18), zwei Schaltern (40, 44) und ein Vergleichs- und-Haltestromkreis

sowie

b) der Eingang eines Systems aus einem lilveaukomparator einem Schalterkontroll-Flip-Flop (16) , einer Schalterund Summierleiter-Einheit (26), einem digitalen Flip- . ΪΊ op -Re gist er (28), einem Zeitregister (30), einer Uhr '(32') und einem Analog-Digital-Komparator (24) angeschlos sen sind, wobei der Ausgang des unter a) genannten Systems mit dem Analog-Digital-Komparatox· (24) und der Schalter- und Summierleiter-Einheit (26) verbunden ist, der Analog-Digit al-Komparator (24) mit dem Schalter (44) rückgekoppelt ist und der Schalterkoiitroll-F-lip-Flop (16) sowohl mit dem Schalter (44) als auch mit dem Vergleichs-und Haltestromkreis koritx'oliierezid verbunden ist. .' -." -.-■"" ■ . ■ '
2) Analog-Digit al-Umsetzer nach Anspxnich ">, daduj'ch g e_: k e η η ze i c h η e t ., daß der Vergleiche·- uud Haltestromlcreis aus eiriom Verstäricex· (46) rait einea j'eg.ativen und einem positiven Eingang, einem Schalter (42), einer Diode (48), einem Halteverstärkei" (2O)₁ einen Italtekoiide-isator (22) und einem AusgleichskondeiLSator(i?0) besteht, viobei die Diode (48) mit einem Pol an den Ausgang des. Verstärkers (46), mit dem anderen Pol an den Eingang dos Halte verstarkers (20) und parallel suju; Schalter (42) aiigeschlpssen ist, der Ausgleichskondensator (50) am positiven Eingang des Verstärkers (46) und der lialtekoiideusatpr (22) am Eingang des Halteverstäiicers (20) liegt und der Ausgang,

des Halteverstärkers (20) den Jbisgang des Vergleichs- und HalteStromkreises darstellt.
3) Analog-Digital-Umsetzer· nach Jnspruch 1_t dadurch g e kenn zeichnet _s daß der Vorverstärker (18) einen Verstärkungsfaktor G » ~1. besitzt«
4-) Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 und 2, dadurch g ekennz-eicb.net _t daß die Verzögerungsstrecke (12), der Vorverstärker (18), der Schalter (4-0) und der negative Eingang des Verstärkers (4-6) in der genannten Reihenfolge iii Serie liegen, der Ausgang des Verstärkers. (4-6.) mit den Schalter (40) kontrollierend verbunden ist und der positive Eingang des Verstärkers (4-6) _t der Schalter (44-). und der Arialog-Digit al-Komparator (24-) in der genannten Reihenfolge'in Serie liegen.
5) Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch lund 2_r dadurch g eke11n2exc-h.net., daß der NiveaUkomparator (14·), der Schal tez-koatroll-Flip-Fl op (16), das Zeitregistex"¹ (JO), das digitale Elip-Elop-Register (28), die Schalter- und Sunmierleiter-Eiiiheit (26) und der Eingang des Analog-Digital -Komparataes (24-) in der genannte] i Reihenfolge hint ere in ander ge schaltet sind und daß sowohl die Uhr (52) air. auch der Schaltorlcoiitiroll-Plip-Plop (16) mit dem Zeitregister (5^l-0 gekoppelt ist- . .
6) Anaiog-DigitsI-ÜSEsetzer nach Anspruch 1 und 2, dadurch g ek e ii /1 ζ η i e h. η e t , daß der Schalterkontroll-Flip-Fl0*0 (16) über den Schalter (4-2) mit deia Vergleichs- und Ealtestron>^j?eie- verbunden ist.
7) Analors-D--^:tal-I^isetioea· nach AnsprücVi "1 und 2, dadurch g c- ' \z <ί η .-i"'"ü ■·· i c -fe Il ο t , daß der'AtICxIOg-DiRXt₁Xl.-Komparator· (2⁷I-)'-■ über iBip'edB.i'aeniait dem Schalter (44·) rückgekoppelt i fit.· '"·"■"'■ ' ■' "'-""·' '-. .' ^; ""'-.''' '" ^:

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8) Analog-Mgital-Umsetsej? nach Anspruch 1 und 2» dadurch g eken Ώ,-a 0 i c h η β t , daß der Ausgang des Schalters (42) mit dem I&ngang des Schalters (40) gekoppelt ist.
9) Analog-Digital-Umsetzer nach ijispruch 2, dadurch g e i e nn.z β i c h-a.e t , daß der Haltekondensator (22) zwischen dem Eingang des Halteverstärkers (20) und dem G-rundpotential liegt.

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