-
Pulscodemodulator mit Knickkenlinien-Amplitudenwandler Die Brfir.dung
betrifft einen Puscodemodulator nach dem Hauptpatent ... (Patentanmeldung vom ...
uoZ. 125-x1528) zur digitalen Codierung von Analogsignalen in einem (n + m + 1)-Bit-Code,
mit einem Amplitudenwandler, der eine Pressercharakteristik mit Knickkennlinie hat,
die aus 2(m + 1) linearen Abschnitt ten besteht, die jeweils 2n Amplitudenstufen
umfassen, wobei der Amplitudenwandler den durch die linearen Abschnitte bestimmten
Amplitudenbereichen der Analogsignale an seinem Eingang stets einen gleichen Schwankungsbereich
der Analogsignale an seinem Ausgang zuordnet, mit einem Grobcodierer und mit einem
Feincodierer für n Bits, wobei der Amplitudenwandler einen ersten Teil und einen
in Wirkungsrichtung nur dem Feincodierer vorgeschalteten zweiten Teil hat, der durch
den ersten Ämplitudenwandlerteil und/oder den Grobcodierer steuerbar ist.
-
Bekannt (vgl. DU-AS 1 276 708) ist bereits ein Pulscodemodulator
zur digitalen Codierung von Analogsignalen in einem (n + m + 1)-Bit-Code, mit einem
Amplitudenwandler, der eine Pressercharakteristik mit Knickkennlinie hat, die aus
2(m.+ 1) linearen Abschnitten besteht, die jeweils 2n Amplitudenstufen umfassen,
wobei der Amplitudenwandler den durch die linearen Abschnitte bestimmten Amplitudenbereichen
der Analogsignale an seinem Eingang stets einen glei chen Schwankungsbereich der
Analogsignale an seinem Ausgang zuordnet, mit einem Grobcodierer und mit einem Feincodierer
für n Bits. In diesem bekannten Pulscodemodulator befindet sich am Eingang der Amplitudenwandler,
dessen
erstem Ausgang der Feincodierer und dessen zweitem Ausgang der Grobcodierer nachgeschaltet
sind, wobei vom Amplitudenwandler einerseits das umzusetzende Analogsignal mit einer
durch seine Zuordnung zu einem der linearen Abschnitte der Knickkennlinie vorgegebenen
Verstärkung dem Feincodierer und andererseits eine den gerade zur Anwendung gelangenden
Verstärkungsgrad betreffende Information dem Grobcodierer zuführbar ist.
-
Der Grobcodierer des bekannten Pulscodemodulators ist für m Bits
ausgelegt, sein Ausgangssignal gibt also an, in welchem der linearen Abschnitte
das Analogsignal liegt. Dagegen zeigt das Ausgangssignal des Peincodierers an, welche
Amplitudenstufe in dem vom Grobcodierer bestimmten linearen Abschnitt der Knickkenlinie
dem Analogsignal zuzuordnen ist.
-
Die Anordnung des Amplitudenwandlers vor den beiden Codierern hat
zunächst den Nachteil, daß der Amplitudenwandler, der die Umwandlung der eingespeisten
Analogsignale entsprechend der Knickkennlinie vornimmt, noch keine Information darüber
besitzt, welchem linearen Abschnitt der Knickkennlinie das Analogsignal zuzuordnen
ist. Der Smplitudenwandler muß also im wesentlichen die Punktion des Grobcodierers
übernehmen.
-
Der Amplitudenwandler des bekannten Pulscodemodulators weist insbesondere
ein von einem einzigen Entscheider este*uertes umechaltbares Netzwerk aut, das derart
bemessen ist , daß den durch die linie aren Abschnitte bestimmten Amplituderbereiche
der Analogsignale am Amplitudenwandlereingang stets ein gleicher Schwankungsbereich
der Analogsignale am Amplitudenwandlerausgang zugeordnet sind. Da in den Entscheidar
das Ausgangssignal des netzwerks einspeist wird, bilden Entscheider und Netzwerk
einen Regelkreis. Deshalb besteht die Gefahr, daß der Regelkreis instabil werden
kann rie Gefahr von Instabilität ist besondere groß, weil der eines Regelkreis derstel
lende Amplitudenwandler ein unstetiges Über@@gungsgave@neiten entsprechend
der
Knickkennlinie und den Umschaltvorgängen hat. Ein kurzer Überschwinger nach einem
Umschaltvorgang kann also daBu führen, daß ein weiterer Umschaltvorgang versehentlich
eingeleitet wird, so daß eine nicht rückgängig zu machende Falscheinstellung des
Amplitudenwandlers und gleichzeitig eine falsche Bitkombination am Ausgang des drobcodierers
die Folge sind.
-
Da nur ein einziger Entscheider vorgesehen ist, sind zur endgültigen
Einstellung des Amplitudenwandlers bis zu 2m1 aufeinander folgende Einstellvorgänge
des Amplitudenwandlers notwendig, was zu einer großen Codierzeit führt.
-
In der erwähnten Literaturstelle sind zwei Ausführungen des Netzwerks
des Amplitudenwandlers genauer beschrieben.
-
GemäB der einen Ausführung muß ein zu codierendes Spannung signal
in einen dazu proportionalen Strom umgesetzt werden, der in einen Spannungsteiler
fließt. Dieser besteht aus mehreren Widerständen, die alle bis auf einen durch Analogschalter
kurzgeschlossen werden können und von Konstantsstromquellen gespeist werden.
-
Die andere Ausführung sieht einen ähnlichen Spannungsteiler vor,
der aber von einer dem Analogspannungssignal proportionalen, sehr hohen Spannung
angesteuert wird~.
-
Bei beiden Ausführungen des Netzwercks sind sogenannte t'schwimmenge
Analogschalter erforderlich, die ebenso wie die benötigten Konstantstromquellen
nur schwer mit großer Genauigkeit rearisier bar sind. Bei der ersten Ausführung
tritt noch die Schwierigkeit der genauen spannungsgesteuerten Stromquellen auf,
während bei der zweiten Ausführung die Eingangsspannung auf sehr hohe Werte (bis
512 V, wenn der Feincodierer 0 - 4 Y braucht) verstärkt werden muß.
-
Bemerkenswert ist noch, daß diese Vorgänge in sehr kurzer Zeit (ca.
a. 1 µsec) ablaufen müssen, denn bei dem gegenwärtig bevorzugten 30/52-Kanal-PCk-System
stehen nur etwa 4 /usec als gesamte Codierzeit zur Verfügung, wovon jedoch nur ein
Teil für den Amplitudenwandler reserviert werden kann.
-
Der Aufbau derartiger Spannungen bis zu etwa 500 V innerhalb von
1 /usec ist aber schaltungstechnisch nur unter großem Aufwand zu realisieren.
-
Zusammenfassend ist also festzustellen, daß diese beiden bekannten
Amplitudenwandler wegen ihres hohen Aufwands bestenfalls nur für eine sehr geringe
Anzahl von linearen Abschnitten der Knickkennlinie wirtschaftlich tragbar sind.
-
Ferner ist es aus dieser Literaturstelle bekannt, dem Amplitudenwandler
einen Zweiweg-Gleichrichter mit eingangsseitig angeschlossenem, auf den Polaritätswechsel
beim Nulldurchgang der Analogapannung ansprechenden, die höchstwertige Stelle des
Codes liefernden Komparator vorzuschalten. Dabei muß jedoch der Zweiweg-Gleichrichter
infolge der Kompandierung, also wegen der besonders großen Verstärkung der kleinsten
Signale, bei den kleinsten Signalen sehr genau arbeiten, was hohe Anforderungen
an den Zweiweg-Gleichrichter stellt.
-
Schließlich besteht eine ernste Einschränkung für die bekannten Ausführungen
des Ampplitudenwandlers darin, daß nur konstante Analogsignale vom Pulscodemodulator
verarbeitet werden können, weil sonst während der Ärbeit des Amplitudentandlera
ein unter Umständen sehr großer Unscharfefeliler auftreten winde.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Pulscodemodulator
nach dem Hauptpatent, der die grundlegenden Mängel des bekannten Standes der Technik
bereits überwindet, weiter zu verbessern,
insbesondere die Verarbeitung
kleiner und kleinster Analogsignale zu erleichtern.
-
Der Pulscodemodulator der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß der Grobcodierer für (m + 1) Bits ausgelegt ist und
der erste Teil des Amplitudenwandlers am Eingang des PulscodemodulatorS mindestens
zwei parallel arbeitende Abtastspeicher hat, von denen mindestens einem ein Verstärker
vorgeschaltet ist, um die Analogsignale kleiner Amplitude zu verstärken.
-
Durch die Vorverstärkung der eingespeisten Analogsignale kleiner
Amplitude wird deren Verarbeitung wesentlich erleichtert, so daß die Genauigkeitsanforderungen
an den übrigen Amplitudenwandler vermindert werden können. Wegen der Abtastspeicher
können außerdem nicht konstante Analogsignale vom Pulscodemodulator verarbeitet
werden, ohne daß während der Arbeit des Amplitudenwandlers ein-unter Umständen sehr
großer Unschärfefehler auftritt.
-
Bei dem mit einem Nullkomparator versehenen Pulscodemodulator ist
es vorteilhaft, daß der erste Teil des Amplitudenwandlers den Nullkomparator und
2(m + 1) Bereichsdiskriminatoren aufweist, deren Referenzspannungen den Knickpunkten
der Knickkennlinie entsprechen.
-
Eine derartige Ausbildung hat den Vorzug, daß die Bereichsdiskriminatoren,
der Nullkomparator und der Grobcodierer einen Parallel-Analog-Digital-Wandler darstellen,
der für eine möglichst kurze Codierzeit sorgt.
-
Eine bevorzugte Ausführung besteht ferner darin, daß eich der Zweiweg-Gleichrichter
innerhalb des zweiten Teils des Amplitudenwandlers befindet und ein vom Nullkomparator
gesteuerter Gleichrichter ist.
-
Die Anordnung des Zweiweg-Gleichrichters innerhalb des Amplitudenwandlers
ist besonders vorteilhaft, weil im Amplitudenwandler wegen der vorangegangenen Verstärkung
der Analogsignale im ersten Teil keine extremen Genauigkeitsforderungen mehr bestehen.
-
Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß vor
drei
Abtastspeichern drei Verstärker mit abgestuften Verstarkungsfaktoren angeordnet
sind, und daß die Ausgangssignale der Abtastspeicher durch einen ersten Auswahlschalter
im zweiten Teil des Amplitudenwandlers über den Zueiweg-Gleichrichter in drei parallel
arbeitende Operationsverstärker einspeisbar sind, die eine Subtraktionseinrichtung
und gestufte Verstärkungsfaktoren besitzen und deren Ausgänge über einen zweiten
Auswahlschlater an den Feincodierer anschließbar sind. Bei Verwendung von allgemein
p vorgeschalteten Verstärkern sind nur 2 p Referenzspannungen notwendig. Ohne die
Verstärker müßten 2(2m-1) Referenzspannungen (für die Bereichsdiskriminatoren) zur
Verfügung stehen, falls die linearen Abschnitte der Knickkennlinie binär gestufte
Steigungen haben.
-
Durch den jeweiligen Operationsverstärker kann der Feincodierer mit
einem hnalogsignal angesteuert werden, das genau den Arbeitsbereich des Feincodierers
überstreicht, und zwar unabhängig von dem linearen Abschnitt der Knickkennlinie,
dem das Analogsignal zugeordnet ist.
-
Eine besonders einfache Ausbildung des Amplitudenwandlers, die aber
eine ausreichend genaue Codierung gewährleistet, besteht darin, daß zwei Verstärkern
zwei Bbtastspeicher nachgeschaltet sind, deren auch über Inverter zur Verfügung
stehende Ausgangssignale in den ersten Teil des Amplitudenwandlers und in dessen
zweiten Teil einspeisbar sind, der in Wirkungsrichtung hintereinander einen Aussahlschalter
und einen Operationsverstärker mit umschaltbarem Verstärkunsfaktor und Subtraktionseinrichtung
besitzt.
-
Dabei ist es zweckmäßig, daß der Operationsverstärker einen zwischen
seinen Ausgang und seinen invertierenden Eingang
geschalteten ersten Festwiderstand
enthält, daß an den invertierenden Eingang mehrere zweite Festwiderstrinde
mit binär gestuften Widerstandewerten angeschlossen sind, die ztii Umschalten des
Verstärkungsfaktors über Schalter
waweise an ein
festes Potential legbar sind, und daß zur Vornahme
der Subtraktion einer
der zweiten Festwiderstände auch an eine positive Referenzepannung
legbar ist.
-
Da die Schalter mit einem Pol am festen Potential angeschlossen sind,
können sie als bipolare Transistoren ausgebildet sein und direkt vom Grobcodierer
gesteuert werden.
-
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine Kompsnder-Kennlinie eines Amplitudenwandlers; Fig. Ib einen Ausschnitt
aus der als Knicklinie ausgeführten Kompander-Xennlinie einschließloh der zugehörigen
Ausgangssignale des Amplitudenwandlers über dessen Eingangssignal; Fig. 1c-1h den
Signalverlauf an verschiedenen Stellen eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäß
en Pulscodemodulators; Fig. 2 das Blockschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators; Fig. 3 das Prinzipschaltbild von in einem
Entscheidernetzwerk von Fig. 2 verwendeten Bereichsdiskriminatoren; Fig. 3a das
Übertragungsverhalten des Bereichsdiskriminators von Fig. 3; Fig. 4 das Prinzipschaltbild
einer Ausführung des gesamten Entscheidernetzwerks von- Fig. 2; Fig. 4a das Übertragungsverhalten
aller Bereichsdiskriminatoren und des Nullkomparators von Fig. 4; Fig 5 das Schaltbild
eines Grobcodierers und einer Steuerlogik von Fig. 2;
Fig. 6 das
Schaltbild des Zweiweg-Gleichrichters von IPig.2 einschließlich eines Nullkomaprators;
Fig. 7 das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Pulscodemodulators und Fig. 8 das Schaltbild eines Operationsverstärkers von Fig.
8.
-
Durch den erfindungsgemäßen Pulscodemodulator wird nicht nur eine
einfache Codierung der in ihn eingespeisten Analogsignale in Digitalsignale oder
-worte durch Codierer vorgenommen, sondern auch vor der Codierung eine Änderung
der Dynamik der Analogsignale durch einem Amplitudenwandler erreicht.
-
In Fig. 1a ist eine Kompander-Kennlinie vollstandig gezeigt, wobei
auf der Abszisse das Eingangssignal Ue und auf der Ordinate das Ausgangssignal Uek
aufgetragen sind.
-
Die Kompander-Kennlinie verläuft so, daß Analogsignale kleiner Amplitude
zur Vergrößerung des hbstands gegenüber dem Geräusch auf Kosten der hohen Signalamplituden
angehoben werden, wie numittelbar aus Fig. 1a ersichtlich ist.
-
Für das zu erläuternde Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Pulscodemodulators sollen eine sogenannte 1-egiienL--Kompanderkennlinie (COM XV
Frage 33 Temp. Dor-Nr. 34 vom 25.9. bis 6.10.1967, herausgegeben vom CCITT) des
Amplitudenwandlers und eine 8-Bit-Codierung angenommen werden. Die 13-Segment-Kennlinie
stellt eine spezielle Knick-Kennlinie der.
-
Die Kompander-Kennlinie läßt sich sowohl im ersten als auch im dritten
Quadraten in Jeweils acht lineare Abschnitte, also insgesamt sechzehn lineare Abschnitte
(in Fig. la durch Punkte berrenzt), unterteilen, die jeweils einem gleichen Bereich
des Ausgangssignals Uek ent.sprechen, der seinerseits in 16 Lmplitudenstufen unterteilt
wird.
(Bei der eigentlichen 13-Segment-Kennlinie bilden die beiden linearen Abschnitte
zu beiden Seiten des Koordinatenursprungs zusammen einen eigenen Abschnitt t so
daß nur Ó + 6 + 1 = 13 lineare Abschnitte (oder Segmente) vorhanden sind, deren
Steigung sich jeweils von dem Faktor 2 unterscheidet. Das Bildungsgesetz der Steigung
ist für unseren Fall beibehalten.) Fig. 1b zeigt genauervdie ersten sechs linearen
Abschnitte einschließlich der jeweils sechzehn zugehörigen Amplitudenstufen im ersten
Quadranten sowie die zugehörigen Ausgangssignale des Amplitudenwandlers. Dem Verlauf
der Ausgangssignale des Amplitudenwandlers kann man entnehmen, daß der Amplitudenwandler
in fast allen Fällen neben einer Verstärkung auch eine Subtraktion ausführen muß.
-
Allgemeiner gesprochen, die Kennlinie kann für eine (n + m + 1)-Bit-Codierung
in 2(m + 1) lineare Abschnitte mit jeweils 2n Amplitudenstufen unterteilt werden,
so daß für das betrachtete Ausführungsbeispiel m = 3 und n = 4 ist.
-
Es ergibt sich daraus die Möglichkeit, den Codierer des Analog-Digital-Wandlers
des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators in einen Grobcodierer für (m + 1)-Bits
oder mit (m + 1)-Stellen und in einen Feincodierer für n Bits oder mit n Stellen
aufzuteilen, so daß im vorliegenden Spezialfall mit m = 3 und n = 4 jeweils ein
vierstelliges oder 4-Bit-Codewort (bekanntlich können durch 4 Bits bzw. Dualstellen
alle Dezimalzahlen von 0 - 31 dual dargestellt werden) von beiden Codierern abgegeben
werden. Die Aneinanderreihung dieser beiden 4-Bit-Codeworte bildet dann das endgültige
Codewort oder Digitalsignal am Ausgang des Pulscodemodulators entsprechend dem eingespeisten
Analogsignal.
-
Genauer gesagt, der Grobcodierer stellt fest, in welchen linearen
Abschnitt der Knickkennlinie das momentan zugeführte Analogsignal
fallt.
Für den Fall der 13-Segment-Kennlinie entsprechend der hier vorgenommenen Aufteilung
in lineare Abschnitte ergeben sich dafür acht Möglichkeiten im ersten und ebenso
viele im dritten Quadranten, was sich durch ein 3-Bit-Codevort und ein zusätzliches
Vorzeichenbit, also insgesamt durch ein 4-Bit-Codewort ausdrücken läßt.
-
Der Feincodierer beurteilt dann die Lage des Analogsignals innerhalb
des vom Grobcodierer bestimmten linearen Abschnitts, ordnet also dem Analogsignal
eine der jeweils vorhandenen 16 Amplitudenstufen zu.
-
Nach dieser irörterung der im wesentlichen bekannten Grundlagen des
erfindungsgemäßen Pulscodemodulators sollen jetzt zwei Ausführungsbeispiele von
ihm beschrieben werden.
-
Das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des Pulscodemodulators
ist in Fig. 2 gezeigt. Der Pulscodemodulator besteht aus einem Grobcodiererblock
1 und einem nachgeschalteten Feincodiererblock 2. Erfindungsgemäß enthält der Grobcodiererblock
1 einen ersten oder Feincodierer 10 und einen Teil eines Amplitudenwandlers, während
der Feincodiererblock 2 einen zweiten oder Feincodierer 18 und den übrigen Teil
des Amplitudenwandlers aufweist. Durch diesen Aufbau unterscheidet sich der erfindungsgemäße
Pulscodemodulator grundsätzlich von dem aus der DU-AS 1 276 708 bekannten Pulsoodemodulator,
bei dem sich der gesamte Bmplitudenwandler in Wirkungsrichtung vor den beiden Codierern
befindet.
-
Das zu codierende Analogsignal wird in drei parallele Verstärker
3 - 5 des Amplitudenwandlers mit gestuften Verstärkungsfaktoren (1, 4 und 16) eingespeist.
Die Verstärker 3 - 5 haben unterschiedliche Aussteuerbereiche, nämlich entsprechend
den Mingangssignalen Uer die zu den Kennlinienbereichen A' - A, Bl - B bzw'.
-
C' - C gehören (vgl. Fig. 1a).
-
Die in den Bereich A' - A fallenden Analogsignale werden also durch
den Verstärker 5 sechzehnfacht die in den Bereich B' - B fallenden Analogsignale
durch den Verstärker 4 vierfach und die in den Bereich C' - C fallenden Analogsignale
durch den Verstärker 3 nur einfach verstärkt. An die Verstärker 3 - 5 ist je einer
von drei Abtastspeichern 6 - 8 angeschlossen. Durch die vorher erfolgte Verstärkung
werden die Fehler in den Abtastspeichern 6 - B insbesondere für die in den Bereich
A -.A fallenden schwachen eingespeisten Analogsignale vernachlässigbar klein. Die
Äusgangssignale an den Ausgängen der Abtastspeicher 6 - 8 sind in Fig. 1c als Ul,
Us2 bzw. Ua3 abgebildet.
-
Da die an den Ausgängen der Abtastspeicher 6 - 8 auftretenden Signale
bereits verstärkt sind, wird die Arbeit eines an diese Ausgänge angeschlossenen
Entscheidernetzwerk 9 erleichtert, eo daß es einen einfacheren Aufbau haben kann.
Das Entscheidernetzwerk 9 stellt fest, in welchem der 16 linearen Abschnitte der
Kompander-Kennlinie von Fig. la, die durch die dort gezeigten Punkte voneinander
getrennt sind, sich das Analogaignål befindet. Anders ausgedrückt, es ermittelt,
ob das- Analogsignal positiv oder negativ ist und zu welchem der 8 linearen Abschnitte
eines Quadranten (z.B. des ersten Quadranten) es betragsmäßig gehört.
-
Die erste Entscheidung, ob nämlich das Analogsignal positiv oder
negativ ist, wird von einem zum Entscheidernetzwerk gehörenden Nullkomparator getroffen,
von dem eine mögliche Ausführung in Fig. 6 zu sehen ist, worauf noch näher eingegangen
werden wird.
-
Für die anderen Entscheidungen, d.h. in welchem der acht linearen
Abschnitte der Knickkennlinie das Analogsignal betragsmäßigliegt, sind sieben Bereichsdiskriminatoren
des Entscheidernetzwerks 9 zuständig, von denen einer in Fig. 2 im Block des Entscheidernetzwerke
9 schematisch angedeutet und genauer in Fig. 3 gezeigt ist.
-
Gemäß Fig. 3 kann ein derartiger Bereichediskriminator ein Doppelkomparator
20 mit einem ODER-Glied 21 am Ausgang sein, das immer dann eine logische "1" abgibt,
wenn die Eingangsspannung des Analogsignals U1 eine bestimmte positive Referenz
spannung +Uref (entsprechend einem positiven Punkt der Kompander-Kennlinie) über-oder
eine negative Referenzspannung -Uref mit gleichem Betrag (entsprechend einem negativen
Punkt der Kompander-ICennlinie) unterschreitet (vgl. Fig. 3a). Es versteht aich,
daß für die einzelnen Bereichsdiskriminatoren unterschiedliche Referenzspannungen
vorgesehen sind.
-
Das Entscheidernetzwerk 9, das sich aus den Bereichsdiskriminatoren
von Fig. 3 und dem Nullkomparator zusammensetzt, ist in Fig. 4 abgebildet.
-
Das Entscheidernetzwerk von Fig. 4 arbeitet wie folgt: Die an den
Ausgängen der Abtastspeicher 6 - 8 auftretenden Analogspannungen U51, Ua2 und U53
werden in die mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten Eingänge des Entscheidernetzwerks
von Fig. 4 eingespeist und von dort an sieben Bereichsdiskriminatoren 30 - 36 und
einen Nullkomparator 37 weitergeleitet. Die Analogsignale U81 und U52 führen auf
je zwei der Bereichsdiskriminatoren, nämlich 30 und 34 bzw. 31 und 35, mit der Referenzspannung
t Uref und t Uref/ führt auf drei der Bereichsdiskriminatoren, nämlich 32, 33 und
36, mit der Referenzspannung t Uref + Uref/2 und t Ure/4,und den Nullkomparator
37, wobei Uref die Hälfte der maximalen Eingangsspan nung (entsprechend dem rechten
Ende der Knickkennlinie) ist. Die Ausgangssignale der Bereichsdiskriminatoren 30
- 36 werden an Ausgängen A1 - A7 abgenommen. Am Ausgang A0 des Entscheidernetzwerks
von Fig. 4 wird das Ausgangs signal des Nullkomparators 37 abgenommen.
-
Die an den Ausgängen Ao - A7 auftretenden Signale des Entscheidernetzwerks
9 werden in den
Grobcodierer 10 eingespeist,
der das erste oder Vorzeichenbit und
das zweite bis vierte Bit erzeugt, wobei das zweite bis vierte Bit den linearen
Abschnitt der Knickkennlinie angibt, in der sich das Analogsignal befindet.
-
Vom Grobcodierer 10 werden auch Informationen für eine nachgeschaltete
Steuerlogik 11 gewonnen, die bereits dem Feincodiererblock 2 zugerechnet wird und
zur Steuerung des in Wirkungsrichtung nur vor dem Feincodierer liegenden zweiten
Teils des Amplitudenwandlers dient.
-
Eine Ausführungsform des Grobcodierers 10 in Verbindung mit der Steuerlogik
11 ist in Fig. 5 zu sehen.
-
Die Ausgangssignale von den Ausgängen Ao - A7 des Entscheidernetzwerks
von Fig. 4 werden in Eingänge Eg - E7 der Grobcodierer-Steuerlogik-Einheit von Fig.
5 eingespeist.
-
Das 1. - 4. Bit werden an den ebenso gekennzeichneten Ausgängen GL+,
GL-der Einheit von Fig. 5 abgenommen, anßerdem an den Ausgängen KV1, KV2, KV3 und
KVSuB sowie ES1, ES2 und ES3 Steuersignale für den zweiten Teil des Amplitudenwandlers
im Feincodiererblock 2 und den Feincodierer 18 selbst. Auf die Gewinnung des 1.
- 4. Bits und dieser Steuersignale soll weiter unten genauer eingegangen werden.
-
Das 1. - 4. Bit sind in Fig. ld abgebildet, und zwar ähnlich Fig.
1a und -1c über der Spannung der Analogsignale am Eingang des Pulscodemodulators.
-
Ein erster Auswahlschalter 12, der an die Steuerlogik 11 angeschlossen
ist und dessen drei Eingänge mit den Ausgängen der Analogspeicher 6 - 8 verbunden
sind, kann in eine von drei verschiedenen Schaltstellungen durch die Steuerlogik
11 gebracht werden. In den drei Schaltstellungen (vgl. Fig. 1e in Verbindung mit
Fig. 1c und 1a) werden jeweils nur alle Signale eines der Bereiche der Analogsignale
am Ausgang der Analogspeicher 6 - 8 entsprechend den Bereichen
A
- A; B' - A' und A - B; C - B und B - C der Kompander-Kennlinie (vgl. Fig. 1a) durchgelassen.
-
Der erste Auswahlschalter 12 besteht ebenso wie ein zweiter Auswahlschalter
17 7 zweckmäßigerweise aus je drei Feldeffekttransistoren mit entspreohendem Ansteuerverstärker,
wobei die Feldeffekttransistoren in Abhängigkeit vom Ansteuersignal leiten oder
gesperrt sind.
-
Das so durchgelassene Analogsignal gelangt in einen ebenfalls von
der Steuerlogik 11 gesteuerten Zweiveg-Gleichrichter 13. Genauer gesagt, die Steuerung
des Zweiweg-Gleichrichters 13 wird durch die Steuerlogik 11 über das erste oder
Vorzeichenbit vorgenommen, das -wie bereits erwähnt - durch den Nullkomparator erzeugt
wird.
-
Fig. 6 zeigt eine mögliche Ausführung des Zweiveg-Gleichrichters
13 zusammen mit dem ihn steuernden Nullkomparator.
-
Der Zweiweg-Gleichrichter 13 besteht aus einem Inverter 61, zwei
Analogschaltern S1 und 2 und einem Impedanzwandler 62 sowie einem Negator N.
-
Die Analogschalter S1 und S2 werden dabei vom Vorzeichenbit so gesteuert,
daß immer ein Signal gleicher Polarität weitergeleitet wird.
-
Die Analogischalter S1 und S2 können Feldeffekttransistoren sein.
-
Am Ausgang des Zweiweg-Gleichrichters 13 liegt eine Spannung aus
einem der in Fig. If durch Geraden dargestellten Bereiche des Signals U an. Durch
den Zweiweg-Gleichrichter 12 werden also nur g diejenigen Signale umgepolt, die
im dritten Quadranten liegen.
-
An den Zweiveg-Gleichrichter 13 sind parallel drei Operationsverstärker
14 - 16 angeschlossen, die ebenfalls von der Steuerlogik 11 gesteuert werden. Die
drei Operationsverstärker 14-16 haben binär gestufte Verstärkungsfaktoren (hier
8, 4 und 2) und sind jeweils mit einer auf verschiedene Subtraktionabeträge entsprechend
dem zum Analogsignal gehörenden linearen Abschnitt der Knickkennlinie umschaltbarenvbeim
Operationsverstärker 14 für den ersten linearen Abschnitt ~ außerdem abschaltbaren)
Subtraktionseinrichtung
versehen.
-
Die Operationsverstärker 14 - 16 sind mit ihren Ausgängen Au1, Au2
Au3 an den zweiten Auswahlschalter 17 angeschlossen.
-
Am Ausgang des ebenfalls von der Steuerlogik 11 gesteuerten zweiten
Auswahlschalters 17 ist jedem in den Pulscodemodulator eingespeisten Analogsignal
Ue eine Amplitudenstufe U12 2 von einer der dort gezeigten sechzehn Signalgeraden
zugeordnet, die jeweils einem linearen Abschnitt der Knickkennlinie entsprechen.
Anders ausgedrückt, die Signalgeraden in Fig. Ig stellen die Ausgangssignale des
Amplitudenwandlers für die einzelnen linearen Abschnitte der Kennlinie dar, so daß
die ersten sechs Geraden im ersten Quadranten von Fig. Ig gleich den ersten sechs
von der Abszisse ausgehenden Geraden in Fig. Ib sind.
-
Es ist also ersichtlich, daß erfindungsgemäß die Amplitudenumwandlung
gemäß der Koipander-Kennlinie erst unmittelbar vor dem zweiten oder Feinöodierer
18 beendet ist.
-
Der Feincodierer 1B kann ein an sich bekannter 4-Bit-Analog-Digital-Wandler
sein. Er erseugt die letzten vier Bits oder Stellen des Codeworts oder der Digitaldarstellung
des Analogsignals, wie aus Fig. Ih hervorgeht. Dabei entsprechen Jeder Signalgeraden
von Fig. 1g entsprechend der Anzahl von 16 Amplitudenstufen 16 verschiedene Kombinationen
des 5. - 8. Bits Silber der Abszisse, wie man für die Jeweils drei äußersten Signalgeraden
leicht nachprüfen kann. Für die innersten Signalgeradon sind die Bitdarstellungen
wegen der in der Zeichnung beschränkten 4uflöung zum Teil unvollständig.
-
Der Amplitudenwandler beim hier beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators arbeitet so genau, daß man leicht anstelle
eines 8-Bit- ein 10-Bit-Codewort erzeugen kann, also eine Unterteilung in mehr als
16 Amplitudenstufen jedes linearen Abschnitts der Knickkennlinie vornehmen kann,
indem man
den 4-Bit-Analog-Digital-Wandler 18 innerhalb des Feincodiererblocks
3 für 6 Bit auagelegt.
-
Zum Abschluß der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Pulscodesoculators werden die Arbeitsweise der Grobcodierer-Steuerlogik-Einheit
von Fig. 5 und deren Einwirkung auf den zweiten Amplitudenwandlerteil erläutert
Vorausgeschickt sei, daß mit "N" Negatoren und mit "G" NAND-Gatter bezeichnet sind.
-
Es soll der Fall angenommen werden, daß sich das Analogsignal im
Bereich des 4. linearen Abschnitts der Kennlinie befindet, Wie aus der obigen Erklärung
des Entscheidernetzwerks von Fig. 4 hervorgeht, liegt dann an den Eingängen E1 -
e3 eine logische "1" an, während an den Eingängen E4 - E7 eine logische "0" auftritt.
Es soll zunächst gezeigt werden, wie aus diesen Signalen das 2. - 4.
-
Bit, also die m-Bit-Kombination, gewonnen wird, Die "O" an E4 ist
nach einem Negator N6 eine "1" und nach einem Negator N9 wieder eine "O". Damit
ist das 2. Bit als "0" festgelegt.
-
Die "1" an E2 ist nach einem Negator N4 eine "0" und nach einem Negator
N5 wieder eine "1", so daß an einem Eingang eines NiND-Gattere G3 eine "1" anliegt.
Am anderen Eingang des NAND-Gatters G3 liegt über den Negator N6 ebenfalls eine
"1" an, daß am Ausgang des Gatters G3 eine "0" auftritt, die ausreicht, um am Ausgang
des NAND-
Gatters g7 eine "1" als 3. Bit zu bewirken.
-
Die "1" an E3 liegt an einem Eingang eines NAND-Gatters G2 am, dessen
anderer Eingang über den Negator N6 ebenfalls mit einer "1" angesteuert wird. Daher
wird in einen Eingang eines NAND-Gatters Gg eine "0" eingespeist, die ausreicht,
um an dessen Ausgang eine 1 als 4. Bit auftreten zu lassen.
-
Vor der Erläuterung der Erzeugung der von der.Steuerlogik abgegebenen
Steuersignale für denselben Fall der Lage des Analogsignals ist noch die Verbindung
mit dem zweiten Teil des Amplitudenwandlers zu beschreiben: Die Ausgänge ES1 - ES
sind an den ersten Aussahlschalter 12 angeschlossen, bewirken also, daß einer der
drei Abtastapeicher 6 - 8 mit dem nachgeschalteten Zweiweg-Gleichrichter 13 verbunden
wird.
-
ähnlich sind die Ausgänge EV1 - KV3 mit dem zweiten Auswahlschalter
17 verbunden, der einen der drei Operationsverstärker 14 - 16 an den Feincodierer
18 anschließt.
-
Der Ausgang KVSub ist an den Operationsverstärker 14 angeschlossen,
um in diesem eine Subtraktionseinrichtung einzuschalten, sobald der erste lineare
Abschnitt überschritten ist. Wie nämlich aus Fig. 1b hervorgeht, muß für die Analogsignale,
die auf den ersten linearen Abschnitt folgen, auch eine Subtraktion durchgeführt
werden. Eine entsprechende Subtraktionseinrichtung ist bei den Operationsverstärkern
15 und 16 fest eingestellt.
-
Für den hier gewählten Fall der Lage des Analogsignals erhalten wir
an den Ausgängen KV1, KV2, KV3, KVsub sowie ES1, ES2, und ES3 in gliecher Reihenfolge
folgende Bits: "0", "1", "1", "0", "1", "0", "1".
-
Die Herleitung der Werte dieser Bits vollzieht sich ähnlich wie die
Herleitung des 2. - 4. Bits für das Codewort.
-
Die Steuersignale bewirken im vorliegenden Fall, daß der Abtastspeicher
7
durch den ersten Auswahlschalter 12 an den zweiten Gleichrichter 13 angeschlossen
und ferner der Rechenverstärker 16 durch den zweiten Auswahlachalter 17 mit dem
Feincodierer 18 verbunden wird.
-
Die von der Einheit von Fig. 5 durchgeführten logischen Funktionen
können ganz allgemein durch folgende Gleichungen in Boole'scher Algebra dargestellt
werden (mit . als UND-Verknüpfung und + als ODER-Verknüpfung, wobei die Signale
an den Eingängen Ai das gleiche Bezugszeichen haben): V-Bit = AC 1. Bit . A4 2.
Bit - A2.A4+A6 3. Bit " A1.A2+A3.A4+A5.A6+A7 KVsub = A1 ES4 = A4 ES2 = A4.A6 ES1
= A4.(A2.A4+A6) KV1 = A3.A4+A5.A6+A7 KV2 = A2.(A1.A2+A3.A4+A5.A6+A7) KV2 = A2 GL+
= A0 GL- = A0 Die Steuersignale GL+ una GL dienen dabei zum Steuern des Zweiweg-Gleichrichters
13.
-
Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators mit einem gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel
erheblich vereinfachten Amplltudenwandler. Trotz der Yereinfachung ist die Genauigkeit
dieses Pulscodeiodulators völlig ausreichend für eine 8-Bit-Co.dierung.
-
Baugruppen des in Fig. 7 dargestellten Pulscodemodulators, die Baugruppen
des Ausführungsbeispiels von Fig.- 2 entsprechen, sind mit der gleichen Bezugszahl
wie in Fig. 2 plus einer vorgestellten "2" versehen.
-
wird Das Analogisignal in Verstärker 203 und 205 mit dem Vrestärkungsfaktor
1 bzw. 16 eingespeist, an die zwei Abtastspeicher 206 bzw. 208 angeschlossen sind.
Gegenüber dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ergibt sich also eine Verringerung
der Zahl der Verstärker und der Abtastspeicher um je Eins.
-
Mit jedem der Abtastspeicher 206 bzw. 208 ist ein einfacher Inverter
250 bzw. 251 yerbunden, so daß ein nachfolgender vierfacher Auswahlschalter 252
immer ein positives Signal weiterleiten kann.
-
Durch die Inverter 250 und 251 wird also die Funktion des Zweiveg-Gleichrichters
13 des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 übernommen.
-
Ein Entscheidernetzwerk 209, das an die Ausgänge der Abtastspeicher
206 und 208 sowie der Inverter 250 und 251 angeschlossen ist, braucht jetzt also
nur noch im ersten Quadranten zu arbeiten, so daß seine Schaltung gegenüber dem
Entscheidernetzwerk 9 von Fig. 2 bzw. 4 einfacher ist. Insbesondere kann jetzt das
Entscheidernetzwerk aus einfachen anstatt Doppelkomparatoren bestehen, außerdem
erübrigt sich die negative bzw. positive Referenz spannung.
Mit
dem Entscheidernetzwerk 209 ist eine Einheit von einem
Grobcodierer 210 und einer davon gesteuerten Steuerlogik 211 verbunden. An den einen
Ausgängen der Einheit 210, 211 werden das 1. - 4. Bit abgenommen. Andere Ausgänge
der Einheit 210, 211 steuern den Auswahlschalter 250 und einen einzigen Operationsverstärker
253 mit steuerbarer Verstärkung und Subtraktionseinrichtung, während beim Ausführungsbeispiel
von Fig. 2 drei Operationsverstärker 14 - 16 vorhanden sind.
-
Der Operationsverstärker 253 nimmt die restliche Amplitudenumwandlung
vor.
-
Der Ausgang des Operationsverstärkers 40 ist an einen
Feincodierer 218 in Form eines 4-Bit-Analog-Digital-Wandlers 41 angeschlossen, der
das 5. - 8. Bit des Codeworts bzw. der Digitaldarstellung des Analogsignals liefert.
Auch bei diesem Ausführungsbei spiel wird also die Amplitudenumwandlung erst unmittelbar
vor dem Feincodierer 218 beendet.
-
Eine mögliche Ausführung des Operationsverstärkers 253 ist in Fig.
8 abgebildet.
-
An den invertierenden Eingang des eigentlichen Operationsverstärkers
ist einerseits ein im Rückkoplungskreis liegender Widerstand Ro und andererseits
ein Netzwerk von Widerständen R1 - R4 angeschlossen, die über Schalter Sw1 - Sw4
an Masse legbar sind, wobei der Widerstand R1 auch mit einer positiven Referenzspannung
+2Uref beaufschlagbar ist.
-
Für den Verstärkungsfaktor V gilt:
mit
i (soveiS Swi geschlossen)
R1=r0, R2=R0/2, R3=R0/4, R4=R0/8 R1
dient als Bewertungswiderstand für die positive Referenz spannung 2Uref und führt
diese bei entsprechender Lage des Schalters Sw1 an einen Summationspunkt P am invertierenden
Eingang, wodurch eine entsprechende negative Spannung -2Uref . RO am Ausgang des
Ope-RS rationsverstärkers erzeugt wird, damit die gewünschte Substraktion ab dem
2. linearen Abschnitt der Knickkennlinie vorgenommen werden kann (vgl. Fig. Ib).
-
Da die Schalter Sw1 - Sw4 mit einem Pol an Masse angeschlossen sind
(anstatt Masse kann auch ein festes Potential vorgesehen werden), ist es möglich,
als Schalter bipolare Transistoren zu verwenden und diese direkt durch die Steuerlogik
zu steuern.