DE2000643A1 - Digital-Analog-Umsetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Digital-Analog-Umsetzer und insbesondere auf einen solchen derartigen Umsetzer, der einen Operationsverstärker und ein Netzwerk au^ewichteten Widerständen verwendet.

Die schnelle Verbreitung digitaler Datenverarbeitungsanlagen der niedrigen Preisklasse auf den Gebieten der Prozessteuerung und der Datenerfassungssysteme hat einen Bedarf nach billigen Systemen für die Umwandlung von digitalen Daten in analoge Daten zur Verwendung in weiteren Berechnungen, zur oszillogiqphischen Anzeige, zur graphischen

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Darstellung und für die Verwendung von Signalen zur Prozeßsteuerung. Ein Digital-Analog-Umsetzer setzt die digitalen Datensignale, die in den Rechenanlagen für die Prozeösteuerung benutzt werden, in analoge Signale um, die in der Lage sind, Steuerfunktionen auszuführen. Aufgrund der Verwendung des Digital-Analog-Umsetzers zusammen mit einer Rechenanlage, ist es erwünscht, daß das Umsetzen mit möglichst hoher Geschwindigkeit erfolgt, während gleichzeitig das Umsetzen mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfolgen muß. Elektronische Digital-Analog-Umsetzer nach dem Stand der Technik, die eine hohe Genauigkeit und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit besaßen, erfordern verhältnismässig teure Bauteile. Ganz allgemein erfordern die bekannten Digital-Analog-Umsetzer einen einpoligen als Transistorschalter ausgebildeten Umschalter für jedes Eingangsbit und ein komplementäres NPN-PNP-Transistorpaar ist gewöhnlich erforderlich, um die Umschaltfunktion durchzuführen. Die Schalter in den bekannten Digital-Analog-Umsetzern dienen dazu, ihre gewichteten Widerstände abhängig von den digitalen Eingangsdaten entweder mit einer Bezugsspannungsquelle oder mit dem Massepotential zu verbinden. Daher muß die Bezugsspannungsquelle nicht nur eine genaue Spannung liefern, sondern muß auc.i den Laststrom der Hälfte der Schalttransistoren aufnehmen. Diese starke Lastveränderung erfordert einen äußerst sorgfältigen Entwurf der Bezugaspann ungs quelle, besonders dann, wenn verschiedenen Digital-

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Analog-Umsetzern die Bezugsspannungsquelle gemeinsam ist. Außerdem fordern die Digital-Analog-Umsetzer ganz allgemein zwei Be zugsspannungeque Ilen entgegengesetzter Polarität,, um ein bipolares Ausgangssignal zu erhalten.

Die genannten Nachteile werden bei einem Digital-Analog-Umsetzer zum Erzeugen eines derGröße des digitalen Zingangssignals proportionalen Analogeignales vermieden, der erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch a) einen Verstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang, dessen Ausgang über eine RUckkoppluncsimpedanz mit dem ersten Eingang verbunden ist, b) eine Reihe gebuchteter Widerstände, deren jeder einmal ηάο dem ei -ton Eingang des Verstärkers und zum anderen über einen ihn* zugeordneten einpoligen Schalter mit einem B-zugspotential verbindbar ist, c) eine Vorrichtung zum Betätigen der einpoligen Schalter entsprechend dem digitalen eingangssignal, d) eine erste, dem zweiten Eingang des Verstärkers züge rührte B ζ i|p spannung und eine zweite, über eine Impedanz dem ersten Eingang des Vrstärkers zugefilhrte zweite B-zugsspannung.

Weitere i-lerkmale der crfindun^ er^econ sich aus der genaueren Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiele? der Erfindung in Verbinäun- mit den Zeichnungen, von denen zeigt:

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Docket 5.-1 ^cC C_ j"

Fig.1 ein Schaltbild eines Digital-Analog-Umsetzers gemäß der Erfindung,

Fig.2 ein Schaltbild eines Digital-Analog-Umsetzers nach der Erfindung, der einen Ausgangsstrom liefert;

Figo ein Schaltbild eines anderen AusfUhrungsbeispieles eines Digital-Analog-Umsetzers gemäß der Erfindung, der mit nur einer BezugsSpannungsquelle eine bipolare Arbeitsweise aufweist;

Fig.4 ein Schaltbild für die BezugsSpannungsquelle, die in ucm Digital-Analog-Umsetzer gemäß der Erfindung verwendet wird;

Figo ein Schaltbild der Vorrichtung zum Umschalten der ψ Spannung, die in dem Digital-Analog-Umsetzer gemäß

eier EiTindung verwendet wird.

In den Zeichnungen ist ein Digital-Analog-Umsetzer dargestellt, der einen Operationsverstärker 10 enthält mit einem Scheinwiderstand ϊ<£, der den Ausgang des Verstärkers 10 mit dessen erster Eingangsklemme verbindet. Ein Netzwerk gedichteter niderstände 14 ist vorgesehen. Bii den in deri Zeichnungen abgestellten Ausführungsceispielen der Erfindung

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Docket Sn 9tc 0^7

BAD ORIGINAL

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sind der Einfachheit halber lediglich vier Widerstände dargestellt. Es sei jedoch bemerkt, daß die tatsächliche Anzahl der parallelen Widerstandspfade davon abhängt, welche Auflösung gefordert wird. Je größer die Anzahl der parallelen Widerstandspfade in dem Netzwerk 14 ist* umso feiner wird die Auflösung des Umsetzers. Ein Ende aller Widerstände ist mit der ersten Eingangsklemme des Verstärkers 10 verbunden und das andere Ende jedes Widerstandes ist an ein λ Bezugspotential angeschlossen, wenn der Widerstand durch einen der Schalter 3.., S₂, S-, und S. ausgewählt wird. Eine Dateneingabevorrichtung 16 ist vorgesehen, ungeeignete digitale Dateneingangssignale dem Digital-Analog-Umsetzer' zuzuführen. Eine Steuerschaltung 18 liefert geeignete Steuersignale für den Betrieb des Digital-Analog-Umsetzers, Ein Steuersignal schaltet die digitalen Eingangssignale durch, um diejenigen der Schalter S₁,S₂,S-, und S^ zu schließen, die den Werten des digitalen Eingangssignales entsprechen, um die entsprechenden Widerstände des Netzwerkes 14 mit dem Bezugspotential, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Erdpotential ist, zu verbinden. Eine Bezugsspannungsquelle E_R ist an eine zweite Eingangsklemme des Verstärkers angeschlossen. Eine zweite Bezugsspannungsqueile E_R2 von gleicher Polarität wie die Bezugsspannung squelle E_R ist über einen Widerstand 20 mit der ersten Eingangsklemme des Verstärkers verbunden. Am Ausgang des Verstärkers 10 erscheint ein Signal, das eine Größe

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hat, die dem digitalen Eingangssignal proportional ist. In einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, das einen Digital-Analog-Umsetzer für zehn Bits betraf, wurde eine Umsetzungszeit von 10 Mikrosekunden und eine Gesamtgenauigkeit von 0,1^ erreicht.

Es läßt sich zeigen, daß für die gerade beschriebene Schal- ^ tung die Ausgangsspannung V_Q des Umsetzers sich berechnet.zu:

/ R_p R_p\ η R_p

^vn = Sr ¹⁺r"^Cr Γ¹" ^Er ^Ak -r- O)

0 . ~R I R_A R_A / k=1 ^{R K} 2*R ^K

worin:

E^ = die Bezugsspannung

C = eine positive Konstante

Aj, = die möglichen Schalter zustände, die

durch die digitalen Eingangsdaten bestimmt sind. Wenn A„ = 1 wird der k-

IS.

fc Schalter geschlossen, wenn A„ = 0 ist

der k-Schalter offen

= Wert der Widerstände im Netzwerk 14 Rp = Rückkopplungswiderstand 12 R_A = Widerstand 20 zum Zuführen der

Bezugsspannung

η = Anzahl der Bits der digitalen Eingangsdaten.

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Durch Wählen gleicher Werte für R_p und R_A und durch Wahl des Wertes 2 für die Konstante C (2E_R = E₁^₂) wird Gleichung 1 zu:

η Rp

Die Gleichung (2) stellt ein unipolares Ausgangssignal mit einer Auflösung von η-Bits dar.

Der Wert des Widerstands R_p kann so gewählt werden, daß er gleich 2R, ist und die Konstante C kann so gewählt werden, daßsie in der Gleichung (1) den W rt 2 annimmt. Man erhält damit die folgende Beziehung:

η R_F

^VO - "²R ⁺ ^ ^ER ^AK

Die Gleichung (3) gilt für ein bipolares Ausgangssignal mit einer uflösung von (n*-1)Bits. In diesem Falle wird das bedeutsamste Bit das Vorzeichenbit. Beide Gleichungen (1) und (j5) sind richtige Darstellungen der in analoger Form umgesetzten binär verschlüsselten digitalen Daten. Es ist daher ersichtlich, daß entweder ein unipolarer oder ein bipolarer Digital-Analog-Umsetzer dadurch erhalten werden kann, daß das Verhältnis des Hückkopplungswiderstandes Rp und des Widerstandes R_A für das Zuführender 3ezugsspannung geeignet gewählt wird.

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Docket SA ^6S 02γ

Bei dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Verstärker 10 ein Operationsverstärker mit einer ersten invertierenden Eingangsklemme 22, einer zweiten nicht invertierenden Eingangsklemme 24 und einer Ausgangsklemme 26. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rückkopplungswiderstand 12 ein ohmscher widerstand, der zwischen die Ausgangsklemme 26 des Verstärkers 10 und dessen invertierende Eingangsklemme 22 geschaltet ist. Eine erste BezugsSpannungsquelle Bo ist an die nicht invertierende Eingangsklemme 24 des Verstärkers 10 angeschlossen. Eine zweite Bezug-sspannungsquelle E„^ ist über einen ohmschen Widerstand 20 mit der invertierenden Eingangsklemme 22 des Verstärkers 10 verbunden. Außerdem ist an die invertierende Eingangsklemme 22 des Verstärkers 10 jeweils das eine Ende der Widerstände eines N.tzwerks 14 aus gewichteten Widerständen angeschlossen. Der Wert der aufeinanderfolgenden Widerstände 14a,1nb,1^c und I4d, die das Netzwerk 14 aus gewichteten Widerständen bilden, ändert sich entsprechend einer binären Gewichtung, wobei der Widerstand 14a den Wert 2R, der 'Widerstand 14b den Wert 4R besitzt usw. Die Widerstand sv/erte des Netzwerkes 14 können auch entsprechend irgendeinem anderen geeigneten Code variieren. Die anderen Enden der das Netzv/erk 14 bildenden Widerstände sind an eine Schaltvorrichtung S^,S₂,S-. und S₁. angeschlossen, die selektiv betätigbar ist, um den einem Bit des digitalen

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SA Ί6& 02":

Eingangssignale, das von der digitalen Eingangsquelle 16 geliefert wird, entsprechenden Widerstand mit einem Bezugspotential zu verbinden. Obgleich die Schalter S,,S₂, S-v und S₁^ so dargestellt sind, daß siemit dem masseseitigen Ende der Widerstände ^a^^i^p und 14, verbunden sind, ist es klar, daß die Schalter auch zwischen das andere Ende des Netzwerkes 14 und die Eingangsklemme 22 des Verstärkers 10 angeordnet sein können. Eine Steuer- * vorrichtung 18 liefert Signale, die die entsprechenden Bits des digitalen Eingangssignales durchschalten, um die Schalter S-j,S₂,S~ und S₁, selektiv zu .schließen. Für diejenigen Bits, für die in dem digitalen Eingangssignal eine Eins vorhanden ist, wird der Schalter geschlossen, um den entsprechenden Widerstand 14 *14, , 14 und 14, mit dem Bezugspotential au verbinden, welches in lern dargestellten Ausführungsbeispiel das Erdpotential ist. Für diejenigen Bits, für die eine Null in dem digitalen Eingangssignal vorhanden ist, werdmdie entsprechenden Schalter S.,,Sg* "

S-^S₁, geöffnet, so daß der zugehörige Widerstand 14^1^, 14 ,14, an der Umsetzung nicht beteiligt ist.

Um für das in Fig.1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung ein spezielles Zahlenbeispiel für die Umwandlung zu geben, seien die folgenden Werte für die Bauteile angenommen :

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Docket SA 968 027

2Q00643

Widerstand 14 1000 Ohm

d.

Widerstand I4_fe 2000 Ohm

Widerstand 14 4000 Ohm

Widerstand 14_d 8000 Ohm

Widerstand 12 (R ) 1000 Ohm

Widerstand 20 (R-. ) 500 Ohm

ti.

Spannungsquelle E^ 4 Volt

Spannungsquelle E„p 8 Volt

Wenn alle Schalter, wie dargestellt, geöffnet sind, beträgt die Bezugsspannung E_R die Ausgangsspannung

R_A

^RA

Volt. Die Ausgangεspannung aufgrund

der zweiten Bezugs spannung E„₂ beträgt -Ε-,ο Ra da Epp an die invertierende Eingangsklemme 22 angeschlossen ist. Die resultierende Ausgangsspannung beträgt -4 Volt. Es sei bemerkt, daß der den RUckkopplungswiderstand durchfließende Strom, der in der Richtung von der Eingangsklemme 22 zur Ausgangsklemme 26 fließt, 8 Milliampere beträgt. Dieser Strom bleibt konstant und wird von der zweiten Bezugsspannungsquelle E_R2 geliefert.

Durch Schließen ausgewählter Schalter aus den Schaltern S₁, So, S-,, Sl nimmt der Verstärker 10 zusätzliche Ströme entsprechend den binär gewichteten Widerstandswerten auf. Diese Ströme fließen von der Ausgangsklemme 26 des Ver-

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stärkers über den Widerstand 12, über ausgewählte der Widerstände 14, über die geschlossenen Schalter S. -Sj, nach Masse. Die den Widerstand 12 durchfließenden Ströme haben Änderungen der Ausgangsspannung des Verstärkers zur Folge. Diese Spannungsänderungen sind ebenfalls binär gewichtet.

Wenn der Schalter S₁ geschlossen ist, beträgt die zusätzliche

^RF
Spannung £_u « = 4 Volt, wenn der Schalter S_n geschlos-

sen ist, beträgt sie 2 Volt, wenn der Schalter S-, geschlossen ist, 1 Volt und wenn der Schalter S geschlossen ist, 0,5 Volt. Es wurde vorher gezeigt, daß das Summieren der Ströme als Ergebnis des Einschaltens der Widerstände· an der Ausgangsklemme des Verstärkers 10 ein Analogsignal liefert, das proportional ist dem digitalen. Eingangssignal, das den Schaltern zu deren selektiver Betätigung zugeführt wurde. Die folgende Tabelle I zeigt die Spannung an der Ausgangsklemme 26 des in Fig.1 dargestellten Umsetzers für alle möglichen Bitkombinationen der digitalen Eingangsdaten. FUi' ein Eingangsbit "θ" ist der entsprechende Sehalter offen und für ein Eingangsbit "V ist der entsprechende Schalter geschlossen.

Tabelle I

Eingangsbit Ausgangεspannung

S₁ S₂ S^ S₄ V₀ (Volt)

0 0 0 C -4,0

C 0 0 1 -J;,5

Docket Sh 968 027 009830/1840

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 O

+0,5 + 1,0 +1,5 +2,0 +2,5 +3,0 +3,5

Eines der teuersten Bauteile eines Digital-Analog-Umsetzers ist die BezugsspannungsqueHe aufgrundder verlangten * Leistungsregelung und der Genauigkeit. Durch die Erfindung wird der Entwurf von BezugsSpannungsquelleη aufgrund der Trennung dieser Quelle von dem Netzwerk der gewichteten Widerstände vereinfacht . Die einfache BezugsSpannungsquelle enthält nach Fig.4 eine unregulierte Spannungsquelle V, die über einen Widerstand 28 und eine Zenerdiode 30 mit dem Erdpotential verbunden ist. Ein Paar von Präzisionswiderständen 32,3^ liegen parallel zur Zenerdiode 30. Die "Widerstände 3²,3^ besitzen Werte, die so

_ ....„,._„ 0 098 30/1640

Docket Sm ^bC 07

0	0	1	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	0	1
0	1	1	Q
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	0	1
1	0	1	0
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	0	1
1	1	1	0
1	1	1	1

200Q643

gewählt sind, daß das gewünschte Verhältnis zwisbhen E_R und Eu₂ erreicht wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wert von En₂ zweimal so groß wie der von E_R, so daß die Widerstände ;>2,34 den gleichen Widerst andBwert besitzen. Die Abgreifklemme 29 ist zwischen den Widerständen 32,34 vorgesehen, um die Spannung E_R abzugreifen, während die Klemme 31 am anderen Ende des Widerstandes 32 -dazu dient, die Spannung E_R2 abzunehmen. Es läßt sich daraus sehen, daß eine vereinfachte Bezugsspannung squelle vorgesehen ist, da in bekannten gleichwertigen Digital-Analog-Umsetzern normalerweise ein Spannungsregler erforderlich ist, um die geforderte Leistungsregelung der Bezugsspannungsquelle zu gewährleisten.

Der Digital-Analog-Umsetzer nach der Erfindung hat den Vorteil, daß nur ein einpoliger Schalter für jedes Bit der digitalen Eingangssignale erforderlich ist. Außerdem ist der Schalter mit dem Massepotential verbunden, so daß der Entwurf des Schalters in dem Maße vereinfacht wird, daß ein einzelner Transistor die Schaltfunktion übernehme, kann. Bekannte Digital-Analog-Umsetzer erfordern ein komplementäres Paar zusammenpassender Spannungs-Schalt transistoren für jedes Bit der digitalen Eingangsdaten. Es ist somit ersichtlich, daß der Digital-Analog-Umsetzer gemäß der Erfindung bei einem Digital-Analog-Umsetzer für

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η-Bits eine Einsparung von n-Spannungs-Schalttransistoren ermöglicht. Dies ist eine wichtige Einsparung, da diese Transistoren mit zu den teuersten Bauteilen eines Digital-Analog-Umsetzers gehören. Eine Schaltvorrichtung, die geeignet ist, als Schalter S₁,S₂,S-, und S₂, in demDigital-

₂,

Analog-Umsetzer nach der Erfindung verwendet zu werden, ist in Fig.5 dargestellt. Die Schaltvorrichtung enthält ^ einen Treibertransistor 33 und einen Spannungs-Schalttransistor 35; der Transistor 35 kann ein Feldeffekt-Transistor oder ein bipolarer Transistor sein. Der Transistor 35 arbeitet in inversem Betrieb, um einen niedrigen Widerstand und eine geringe Restspannung zu erhalten, wenn der Transistor eingeschaltet ist. Ein von der digitalen Datenquelle 16 abgeleitetes Signal wird der Eingangsklemrne zugeführt. Ein Signal mit positivem Pegel schaltet den Transistor 33 ein, der den Transistor 35 nicht leitend hält. Ein Signal mit niedrigem Pegel an der Klemme 37 macht den Transistor 33 nichtleitend und den Transistor leitend, um den entsprechenden Widerstand 14 mit dem Erdpotential zu verbinden und dadurch den entsprechenden analogen Spannungswert zu dem Spannungswert an der Ausgangsklemme des Verstärkers zu addieren. Der Schalter S₁ / für den Widerstand 14„ ist in Fig.5 dargestellt und ein

gleicher Schalter ist für jedes Bit der digitalen Eingangsdaten erforderlich.

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Viele der Betätigungsglieder und elektronischen Instrumente, die bei der Prozeßsteuerung verwendet werden, verlangen als Steuersignal einen Gleichstrom. Um als Ausgangssignal einen Öleichstrom zu erhalten, ist es bei bekannten digitalen Analog-Umsetzern im allgemeinen erforderlich, eine UmwandlungBstufe vorzusehen, in der die Ausgangsspannung in einen Ausgangsstrom umgewandelt wird, da das Ausgangssignal der Digital-Analog-Umsetzer im allgemeinen in λ

Spannungeform vorliegt.

Das in Pig.2dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient dazu, die Eigenschaften eines Digital-Analog-Umsetzers und eines Spannungs-Strom-Wandlers in einer» Schaltung zu vereinigen. Es ist eine bipolare Arbeitsweise vorgesehen, wobei zwei BezugsSpannungsquellen gleicher Polarität verwendet werden. Dieses Ausführun^sbeispiel eines Digital-Analog-Umsetzers enthält einen Operationsverstärker 70, der eine nichtinvertiei-inde Eingangs klemme JQ, eine in- *

vertierende Eingangsklemnie Jb und eine Jiusgangsklemine 78 aufweist. Der Belastun^swiderstand FL liegt zwischen der Ausgangsklemme Jo des Verstärkers 70 und dessen invertierender Eiriangskfemnie 76. Ein Netzwerk 8 aus binär gewichteten Widerständen ist 30 angeordnet, daß das eine Ende jedes der Widerstände des Netzwerks mit der invertierendea Eingangsklemme 76 des Verstärkers 70 verbunden ist. Das andere Ende jedes der Widerstände ba,

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Decket SA 9e$ 027

^b' ^c' ^όά ^{ist mit} J^eweils einer Schaltvorrichtung aus einer flihe solcher Schaltvorrichtungen S.., S^* S-,, Su verbunden. Eine quelle 16 für digitale Eingangssignale ist über eine Steuervorrichtung 13 angeschlossen, um selektiv die Schalter G., 3p, S , S₂. zu betätigen, um den entsprechenden Widerstand mit dem Bezugspotential, z.B. dem Erdpotential, zu verbinden. Die Bezugsspannung E_R ist an die nicht invertierende Eingangsklemme 74 des Verstärkers 70 angeschlossen. Die BezugsSpannungsquelle E^o ^^s^ über den Schalter ö0 und den Widerstand 8^ mit der invertierenden Eingangsklemme J6 des Verstärkers JO verbunden. Der Schalter δθ wird selektiv entsprechend dem Vorzeichen der digitalen Eingangsdaten betätigt. Für positive Slgiale ist der Schalter o0 geöffnet und für negative Signale ist er geschlossen, go daß die ^pannungsquelle E„₂ ^Dei ^der Umsetzung wirksam wird. Der allgemeine Ausdruck für den Ausgangsstrom I_Q für irgendeine Komoination der Eingangsbits ist folgender:

E_R (c-1) η E_R

„ = -A, —_r + Z— A„ —T₇- (4)

^{0 G} ^n K=1 ^K Ρζ

darin ist:

h, = Zustand des Vorzeichenschalters 8o.

Wenn A„ = 0, ist der Vorzeichenschalter geöffnet, um ein positives Ausgangssignal zu erhalten.

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ocket S/n ₇cO 0^7

Wenn A_Q = 1, ist der Vorzeichenschalter geschlossen, um ein negatives Ausgangssignal zu erhalten.

EL· =Bezugsspannungsquelle R_A =Widerstand 82 zum Zuführen der Bezugsspannung

Aj, =mögliche, durch die digitalen Eingangsdaten bestimmte Schalterzustände.

Wenn A^. = 1, ist der K-Schalter geschlossen. f

Wenn A_K = 0, ist der K-Schalter offen.

C = eine positive Konstante 2R= Wert der Widerstände im Netzwerk

Die Ausgangsimpedanz des Umsetzers ist aufgrund der Stromrückkopplung relativ hoch. Die Ausgangsimpedanz H_Q ist ungefähr gleich

^R0 ^{= A}0L ^{X R}n

darin ist

^AOL ~ ^{der Verstärl<:un}Ssi^>a^tor des Verstärkers

bei offener Schleife; R = der äquivalente Parallelwiderstand zwischen

der Klemme 76 und Masse.

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Docket SA 968 027

ds ist daher ersichtlich, daß eine bipolare Arbeitsweise gegeben ist, abhängig von der Schalterstellung des Vorzeichenschalters 80. V/ie bei den anderen Betriebsarten werden die digitalen Eingangssignale den Schaltern S., So* S^, S. zugeführt und diese Schalter sind entweder geschlossen oder geöffnet, abhängig von den entsprechenden Bits der digitalen Eingangsdaten. Die Schalter werden entsprechend den digitalen Eingangsdaten selektiv betätigt, so daß ein Strom fließen kann, dessen Größe dem digitalen Eingangssignal proportional ist. Die meisten elektronischen Betätigungsglieder und Instrumente, die heutzutage bei der Prozeßsteuerung verwendet werden, erfordern nur einen positiven Strom. In diesem Fall können die Bezugsspannungequelle Up₂' ^der Vorzeichenschalter 8O und der Widerstand 82 fortgelassen werden.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel besitztdie gleichen Vorteile wie das vorher beschriebene bezüglich der Trennung der Bezugsspannungsquelle von den Spannungsschaltregistern und bezüglich des Widerstandsnetzwerkes. Der Aufbau vergrößert die Umsetzgeschwindigkeit und vereinfacht den Entwurf der Bezugsspannungsquelle und der Spannungsschaltregister.

Das in Fig.3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung ermöglicht eine bipolare Arbeitsweise, obgleich nur eine Bezugsspannungsquelle benutzt wird. Dieses Ausführungs-

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SA 968 027

beispiel des Digital-Analog-Umsetzers enthält einen Operationsverstärker 40 mit einer nicht invertierenden Eingangsklemme 44, einer invertierenden Eingangsklemme 46 und einer Ausgangsklemme 48. Ein Rückkopplungswiderstand ist zwischen der Ausgangsklemrne 48 des Verstärkers 40 und dessen Eingangsklemme 46 angeordnet. Ein Netzwerk J8 aus binär gewichteten Widerständen ist in der Schaltung so angeordnet, daß das eine Ende jedes der Widerstände des Netz- ή Werkes mit der invertierenden Eingangsklemnie 46 des Verstärkers 40 verbunden ist. Das andere Ende jedes der Widerstände 38_&, j>8_b, 58_c und ^8_d ist mit einer Reihe von Schaltern S.., S₂* S, und S₄ verbunden. Eine ^uelle 16 für digitale Eingangssignale ist über eine Steuervorrichtung 18 mit den Schaltern S₁, S_?, S, und S₁^ verbunden, um entsprechende dieser Schalter seletiv zu schließen und dadurch den entsprechenden Widerstand mit dem Bezugspotential zu verbinden. Die Bezugs spannung E,, ist mit der nicht-

invertierenden EingangskIerr.rr.e 44 des Verstärkers -tO verbunden.

Es läßt sich zeigen, daß für die Ausgangs spannung e.. an der Ausgangsklemme 45 des Verstärkers hO die Beziehung gilt:

η U

e. = I£_R + *~ EL· Λ X

Docket SA 966 02₇ ° ° ^{9 8 3} °

darin ist:

E_R = Beζugsspannung

A = die mögliche, durch die digitalen Eingangsdaten bestimmten Schalterzustände V/enn A.. = λ, ist der k-Schalter geschlossen W.;nn A₁. = 0, ist der k-Schalter offen

A.

Rp = Rückkopplungswiderstand 42 pK„ = ,;_;rt des Widerstandes im Netzwerk 38.

Ein zweiter Operationsverstärker 50 ist vorgesehen und als Differenzverstärker geschaltet. Der Ausgang des Verstärkers 40 ist über ein Teilernetzwerk aus den Widerständen ^Qj2,'j■- mit der nichtinvertierenden Eingangsklemme 6~i des Verstärkers 50 verbunden. Der ,Viderstand 52 besitzt einen W?rt R und der Widerstand 54 den Wert R/2. Die Widerstände 56,56 und 66 haben ebenfalls den Wert R. Der Widerstand 66 liefet im ^ückkopplungsweg von der Ausgangsklemme 68 zu. der Eingan^sklemnie 62 des Verstärkers 50. Die Bezugsspannung ii. gelangt auf zwei getrennten Wegen zu der invertierenden Eingangsklemme 62 des Verstärkers 50. Der ä.ne Weg besteht aus einer direkten Verbindung des Bezugspotentials E ' über den Widerstand 56 mit der invertierenden Eingangsklemme 62 des Verstärkers 5O· Iⁿ dem zweiten 'Weg zum Zuführen der Ey;zugsspannung E_R liegen der Widerstand

Docket s/, . ·-;$ 027 0 0 9 8 3 0/1640

58 und der Schalter 60. Der Schalter 6o ist ein Vorzeichenschalter und wird entsprechend dem Vorzeichenbit eines digitalen Eingangssignals betätigt, um eine bipolare Arbeitsweise des digitalen Analog-Umsetzers zu gewährleisten. Wenn der Schalter 6o sich in der in der Zeichnung dargestellten Lage befindet, ist die Spannung an der /tusgangsklemme 68 des Verstärkers 50 positiv. Wenn der Schalter 60 sich in der anderen Lage befindet, ist die Ausgangsspannungdes Verstärkers 50 negativ. Wenn der Schalter 60 . " sich in der in der Zeichnung dargestellten Lage befindet, ist die Ausgangsspannung e_Q an der Ausgangsklemme 68 des Verstärkers 15 gleich der Differenz der beiden Eingangsspannungen e.j an der Klemme 48 und der Bezugs spannung E_R, da der Verstärker 50 als üblichsr Differenzverstärker geschaltet ist.

Es gilt die Beziehung:

^e0 = ^a1 - ^ER

Durch Einsetzen der Gleichung (6) in die Gleichung (7) erhälu man

1 ^RF

⁶O= *- ^ER^AK
K= 1

Docket SA ₉₆₈ο27^009830/1δ*°

Wenn der Schalter 6o sich in der zu der gezeichneten entgegengesetzten Lage befindet, wird die Bezugsspannung S_R dem Verstärker 50 über den Widerstand 58 als drittes Eingangssignal zugeführt. Durch diese Addition ergibt sich für die Ausgangsspannung des Verstärkers ein weiterer Term -E_R, so daß gilt:

η R_F

e₀ = -E_{R +} Π E_R A_K pr_R (9)

Die Gleichungen(8)und(9) sind reguläre Darstellungen für die in analoger Form vorliegenden binär verschlüsselten digitalen Eingangsdaten. Die Gleichung (8) gilt für ein positives und die Gleichung (9) für ein negatives Ausgangssignal. Die Eingangsdaten für ein negatives Ausgangssignal sollten in Form des Zweierkomplements vorliegen.

Es ist daher ersichtlich, daß der Digital-Analog-Umsetzer ^ der Erfindung ein bipolares Ausgangssignal bei nur einer Bezugsspannungsquelle liefert. Das Ausführungsbeispiel besitzt die gleichen Vorteile wie die vorher beschriebenen hinsichtlich der Trennung der BezugsSpannungsquelle von den Spannungsschalterregistern und hinsichtlich des Widerstand snetzwerkes und hinsichtlich der einfachen einpoligen benutzten Schalter mit einer Schaltstellung. Diese Konstruktion erhöht die Umsetzgeschwindigkeit und vereinfacht den Entwurf der BezugsSpannungsquelle und der Spannungsschalterregister.
Docket SA 968 027 0 0 9 8 3 0/1640

Für die Fachleute ist erkennbar, daß ein Analog-Digital-Umsetzer für eine sukzessive Approximation aufgrund des Digital-Analog-Umsetzers gemäß der Erfindung leicht aufgebaut werden kann. Dies wird ermöglicht durch Verbindung des Ausgangs des Digital-Analog-Umsetzers mit einem Eingang einer Vergleichsschaltung, mit deren zweitem Eingang eine unbekannte Spannung zugeführt wird. Jas Ausgangssignal der Vergleichsschaltung wird mittels einer geeigneten logischen Steuerschaltung dem Eingang für digitale Signale des Digital-Ahalog-Unsetzurs zugeführt und aufeinanderfolgende Approximationen werden in die per Weise durchgeführt, bis die gewünschte Genauigkeit vorhanden ist.

.,009830/1640

Does.et >-.·! -ί : ν - ,

Claims (1)

1. Böblingen, den 6. Januar 1970 ne-sk

   Patentansprüche

   [1] Digital-Analog-Umsetzer zum Erzeugen eines der Größe des digitalen Eingangssignales proportionalen Analogsignales, gekennzeichnet durch

   a) einen Verstärker (10; Fig.1) mit einem ersten (22) und einem zweiten (24) Eingang, dessen Ausgang (26) über eine Rückkopplungsimpedane; (12) mit dem ersten Eingang verbunden ist,

   b) eine Reihe gewichteter Widerstände (14,-14,), deren

   a α

   jeder einmal mit dem ersten Eingang des Verstärkers und zum anderen über einen ihm zugeordneten einpoligen Schalter (G..-S) mit einem B jzugspotential verbindbar ist,

   c) eine Vorrichtung zum B.tätigen der einpoligen Schalter entsprechend dem digitalen Eingangsignal,

   d) eine erste, dem zweiten Eingang des Verstärkers zugeführte Bezugsspannung (E_R) und eine zweite, über eine Impedanz (20) dem ersten Eingang des Verstärkers zuge führte zweite Bezugs spannung (E-^).

   2. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (Ep,) und zweite (Ej^)

   Bezugsspannung von gleicher Polarität sind und die _ . _v „. .^ _rZin 009830/1640

   Größe der Bezugsspannungen sieh um einen konstanten Faktor unterscheidet.

   3· Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der RückkopplunöSimpedanz (12) gleich ist dem Wert der Impedanz (20), über die die Bezugsspannung zugeführt wird.

   4. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch ge- · kennzeichnet, daß der Wert der Rückkopplungsimpedanz (12) gleich dem doppelten Wert der Impedanz (20) ist, über die die Bezugsspannung zugeführt wird.

   5. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., da£ die gedichteten Widerstandswerte nach einem binären Code gewichtet sind.

   6. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch ( gekennzeichnet, daß die erste und zweite Bezugsspannung von einem Präzisionsspannungsteiler (22,34,Fig.

   4) abgegriffen werden, der parallel zu einer Zener-Dxode"(30) liegt, die über einen Vorwiderstand (28) an eine Spannungsquelle angeschlossen ist.

   DocKet SA 968 O₂₇ 009830/1640

   7· Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der einpoligen Schalter (S₁-S₁₁,Fig.1 ) aus einem Transistor (35,Fig.5) besteht, mit dem ein gewichteter Widerstand (14a) in R^ihe geschaltet ist.

   8. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Betätigung der einpoligen Schalter (S.,-Sl) ebenfalls aus Transistoren besteht, deren Kollektor mit der Basis des zugehörigen Schalter-Transistors (S₁,Fig.5) verbunden ist.

   9. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bezugsspannung (Ep^₂' Fig.2) über einen Schalter (8θ) mit der zugehörigen Impedanz (82) verbindbar ist.

   10. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (48,Fig.^) des Verstärkers (40) über einen Spannungsteiler (52,54) mit dem ersten (64) Eingang eines weiteren Verstärkers (50) verbunden ist, dessen Ausgang (68) über eine Rückkopplungsimpedanz (66) mit dessen zweitem Eingang (62) verbunden ist, der einmal über einen Widerstand (56) mit der an den zweiten Eingang (44) des ersten

   _{rQ o} 009830/1640

   Docket SA 968 027

   Verstärkers (40) angeschlossenen Bezugs spannung (Iv.) und über einen weiteren Widerstand (58) und einen Umschalter (60) entweder mit einem Bezugspotential oder der Bezugs spannung (iv ) verbindbar ist.

   _ro . 009830/1640

   Docket SA 968 C27

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