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Integrierbarer, nach dem Prinzip der zeitlich gestaffelten Codierung
arbeitender Analog-Digitalwandler Die erfindung betrifft einen integrierbaren, nach
dem Prinzip der seitlich gestaffelten Codierung arbeitenden Analog-Digitalwludler,
der aus einer eingangsseitigen Abtasteinrichtung für ds *tn;llogsignal, einem der
Abtasteinrichtung nachgeschalteten Speicher, einem ausgangsseitigen Entscheider
mit Bewerter für die l.ndespannung des Speichers und aus einer Rückkopplungsschleife,
über die der Speicher in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Bewerters während der
einzelnen Codiertaktschritte umgeladen wird, besteht.
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In der elektrischen Nachrichtentechnik und Meßtechnik werden in zunehmenden
Maße Anordnungen zur Umwandlungaines Analogwertes in eine digitalcodierte Zahl benötigt.
Ein wesentlicher Bestandteil aller dieser Anordnungen ist der Analog-Digitalt'msetzer.
Unter einem Analog-Digital-Umsetzer wird dabei eine Einrichtung verstanden, die
eine elektrische Größe quantisiert und in eine codierte Darstellung umsetzt. Für
diese Umsetzung gibt es eine Reihe verschiedenartiger Methoden mit sehr unterschiedlichen
Eigenschaften. Ein bei derartigen Analog-Digital-Umwandlern sehr häufig angewandtes
Prinzip ist das der zeitlich gestaffelten Codierung. Bei einer einfachen Anwendung
dieses Prinzips läuft das zu codierende Analogsignal während des Codiervorganges
über den Bewerter mehrmals im eigentlichen Analog-Digital-Umwandler um und es wird
während jedes Umlaufs
ein Codeimpllls erzeugt. Die Ausgabe des Analogsignals
in codierter Form erfolgt dabei in einen Seriencode. Bei iælXannten Anordnungen
dieser Art enthält die RückkopplX;ngs sellleife aufwendige Verzögerungsglieder und
zwischengecha1-tete Verstärker. Diese Schaltungsteile dienen dazu, das in der Rückkopplungsschleife
umlaufende Signal jeweils nach eendignng eines Codiertaktschrittes in den Speicher
umzuladen, wie es für die Durchführung des nächsten Teilcodierschrittes erforderlich
ist.
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Analog-Digitalwandler dieser Art, deren Schaltungsaufwand sehr hoch
ist, können beispielsweise in Nachrichtenübertragungssystemen nur dann sinnvoll
eingesetzt werden, wenn sie einer Vielzahl von Ubertragungswegen, beispielsweise
in der Gruppenebene, gemeinsam zugeordnet sind. In manchen Anwendungsfällen, z.B.
digitaler Nachrichtenübertragung zwischen Fernsprechteilnehmern in der Ortsebene,
ist es erforderlich, jedem Ubertragungsweg einen Analog-Digitalwandler zuzuordnen.
Hier sind jedoch, wie auch bei meßtechnischen Anwendungen, Analog-Digitalwandler
mit hohem Aufwand übertragbar.
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Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen integrierbare, nach
dem Prinzip der zeitlich gestaffelten Codierung arbeitenden Analog-Digitalwandler
anzugeben, der sich durch besonders einfachem Aufbau, insbesondere auch der Rückkopplungsschleife,
auszeichnet und der weitgehend in integrierter Bauweise zu realisieren ist.
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Ausgehend von einem integrierbaren, nach dem Prinzip der zeitlich
gestaffelten Codierung arbeitenden Analog-Digitalwandler, bestehend aus einer eingangsseitigen
Abtasteinrichtung
für das Analogsignal, einem der Abtasteinrichtung
nachgeschalteten Speicher, einem ausgangsseitigen rtntscheider mit Bewerter für
die Ladespannung des Speichers uni einer Rückkopplungsschleife, über die der Speicher
in Abhängigkeit vom Ausgangs signal des Bewerters während der einzelnen C(diertaktschritte
umgeladen wird, wird diese Aufgabt gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Entscheider
un Bewerter durch einen mit einer Bezugs spannung verbundenen Komparator und eine
nachgeschaltete, von einem Codiertakt gesteuerte bistabile Schaltung realisiert
sind, daß ferner der Speicher derart mit dem Komparator verbunden ist, daß die Polarität
der Ausgangs spannung der bistabilen Schaltung der Polarität der Ladespannung des
Speichers im Codiertaktzeitpunkt entspricht, daß außerdem die Rückkopplungsschleife
einen weipol enthält, daß weiterhin entweder der Speicher oder der Zweipol eine
derartige negative Charakteristik R we st, daß die Differenz zwischen der Ladespannung
des Spetollers und der jeweiligen Ausgangsspannung der bistabilen Sehlltltng in
jeder Codiertaktperiode verdoppelt wird, und daß die Ladespannung des Speichers
über die Rückkopplungsschleife jeweils in Richtung ihrer umgekehrten Polarität verändert
wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ladespannung
eines Speichers in einem Stromkreis, der außer dem Speicher einen Leitwert und eine
Spannungsquelle enthält, nach einer e-Funktion vergrößert wird, wenn entweder er
Speicher oder der Leitwert eine negative Charakteristik aufweisen. Bei dem Analog-Digitalwandler
gemäß der Erfindung wird die Spannungsquelle durch die Ausgangsspannung des Bewerters
und der Leitwert durch den im Rückkopplungsweg liegenden Zeipol dargestellt. Da
die Ladespannung des
Speichers ungleich Null ist, wird in dieser
Anordnung jeweils die Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung des Bewerters
und der jeweiligen Ladespannung des Speichers vergrößert. Der Zeitraum, in dem eine
Verpplng der Spannungsdifferenz erfolgt, entspricht einer Codiertaktperiode. Sobald
die Verdopplung der Spannungsdifferenz am Speicher eingetreten ist, kann ausgehend
von dieern bewerteten Analogspannungswert der nächste Teilcodierschritt vollzogen
werden.
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Der erwähnte Stromkreis kann dabei entweder einen Zweipol oder einen
Speicher mit negativer Charakteristik aufweisen.
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Soll der Zeipol eine negative Charakteristik aufweisen, so ist es
vorteilhaft, den Zweipol durch einen positiv über einen reellen Widerstand rückgekoppelten
Verstärker zu realisieren, und den Verstärkungsfaktor dieses Verstärkers durch eine
Gegenkopplung zu stabilisieren. Soll dagegen der Speicher eine negative Charakteristik
aufweisen, so ist es vorteilhaft, die negative Charakteristik des Speichers durch
einen positiv über eine Kapazität rückgekoppelten Verstärker zu realisieren, dessen
Verstärkungsfaktor ebenfalls durch eine Gegenkopplung stabilisiert ist.
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Eine einfache Möglichkeit zu einer noch genaueren Stabilisierung des
Verstärkungsfaktors des Verstärkers besteht darin, daß der Gegenkopplungsweg des
Verstärkers einen gesteuerten Widerstand enthält, und daß dieser gesteuerte Widerstand
beim Uberschreiten einer bestimmten Spannung am Speicher verändert wird.
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Zur weiteren Vereinfachung des Analog-Digital-Umwandlers nach der
Erfindung ist es möglich, die bistabile Schaltung durch eine Rückkopplung des Komparators
zu realisieren.
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An} n(t der Zeichnung soll die Erfindung im folgenden nocti näher
erläutert werden* Bs zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Analog-Digitalwandlers
nach der Erfindung Fig. 2 den in dem Analog-Digitalwandler nach Fig. 1 enthaltenden
Stromkreis mit einem Speicher, einem Leitwert und einer Spannungsquelle Fig. 3 ein
Spannungszeitdiagramm der Spannung am Speicher im Stromkreis nach Fig. 2 Fig. 4
ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Analog-Dgitalwandlers nach
Fig. 1 Fig. 5 einen rückgekoppelten Verstärker zur Realisierung des Speichers, bzw.
des Zweipols. mit negativer Charakteristik Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines
Analog-Digitalwandlers nach Fig. 1 Die Fig. 1 zeigt einen Analog-Digitalwandler
nach der Erfindung mit einem Analogeingang E und einem Digitalausg>ang A, der
aus einem Speicher C, einem Komparator K, -einer bistabilen Schaltung F und einem
Leitwert G besteht.
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Der Analogeingang E des Analog-Digitalwandlers ist über einen von
einem Abtasttakt T1 gesteuerten Schalter S mit dem Speicher C, dem Leitwert G und
dem ersten Eingang des
Krnparators K verbunden. Der zweite Eingang
des KompaIators ist ebenso wie der zweite Anschluß des Speichers mit der Leitung
B verbunden, die auf Bezugspotential liegt. ber Ausgang des Komparators ist mit
dem Eingang der von einem Codiertakt T2 gesteuerten bistabilen Schaltung F verbunden,
deren Ausgang über den Leitwert G an den mit dem Speicher verbundenen ersten Eingang
des Komparators zurückgeführt ist. Das Ausgangssignal der bistabilen Schaltung ist
dabei bezogen auf die Leitung B: + U3 für eine logische "1" und - UB für eine logische
"O".
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In Fig. 2 ist der in dem Analog-Digitalwandler nach Fig. 1 enthaltene
Stromkreis mit dem Speicher C, dem Leitwert G und der Spannungsquelle U3 getrennte
herausgezeichnet, anhand dessen die Wirkungsweise des Analogdigitalwandlers näher
erläutert werden soll.
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In Fig. 2 hat entweder der Speicher C oder der Leitwert G eine negative
Charakteristik. In Fig. 3 ist das Spannungsdiagramm der Spannung uc am Speicher
C dargestellt. Der Verlauf der Spannung Uc in Abhängigkeit von der Zeit t ist durch
die Gleichung
bestimmt.
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Für die weitere Erläuterung des Analog-Digitalwandlers soll vorausgesetzt
werden, daß die Zeit t so gewählt ist, daß sich die Spannungsdifferenz zwischen
der positiven oder der negativen Ausgangsspannung der bistabilen Schaltung und der
Ladespannung des Speichers in jedem Zeitraum t2 verdoppelt. Dieser Zeitraum t2 entspricht
einem Codiertaktzeitscllritt
des Taktes T2. Bei dieser Bemessung
liefert die Anordnung nach Fig. 1 ausgangsseitig das ursprüngliche Analogsignal
in gewöhnlichen Binärcode, und zwar in serieller Darstellung bei fallender Wertigkeit
der einzelnen Bits.
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oum leichteren Verständnis der Wirkungsweise des Analog-Digitalwandlers
dieser Art soll noch weiterhin das Zeitdtagramm nach Fig. 4 herangezogen werden.
Die in Fig. 4 dargestellten Diagramme zeigen von oben nach unten den Abtasttakt
T1, den Codiertakt T2, den Verlauf der Spannung am am Kondensator C für eine eingespeicherte
Spannung UÄ am Analogeingang E und das Digitalsignal am Ausgang A des Analog-Digl
talwandlers . In das Diagramm für den Verlauf der Spannung u c am Kondensator C
sind weiterhin die Werte fjjr die positive bzw. negative Betriebsspannung U3 eingetragen,
ferner sind neben diesem Diagramm die binärcodierten Werte der einzelnen Amplitudenstufen
aufgezeichnet.
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Eine zu codierende Analogspannung wird in einem ersten Schritt über
den Schalter S in den Speicher bzw. Kondens:tor C eingespeichert. Der nachfolgende
Komparator K prüft, ob die dem Speicher eingespeicherte Spannung größer oder kleiner
als die Bezugsspannung an der Leitung B ist.
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Die nachfolgende bistabile Schaltung F ist so geschaltet, daß die
Polarität am Eingang des Komparators gleich der Polarität der Ausgangs spannung
der bistabilen Schaltung ist. Da der Betrag der Ausgangsspannung der bistabilen
Schaltung größer sein soll, als der Bereich der zulässigen Analogspannungswerte,
wird die Ladespannung des Speichers silber den negativen Leitwert in Richtung der
jeweils umgekehrten Polarität verändert. Die Ladespannung des Speichers wird also,
wenn sie zum Taktzeitpunkt positiv war, in
negativer Richtung verringert,
bzw. wenn sie negativ war, in positiver Richtung erhöht. Dieser Vorgang wiederholt
sich mit jedem Codiertaktschritt bis zum Ende der Codierperiode.
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In Fig. 4 ist angenommen, daß eine Analogspannung UA in den Kondensator
eingespeichert wird, der im Binärcode den Wert 1011 entspricht. Diese Analogspannung
wird während des Zeitraums tl eingespeichert, nach Beendigung des Zeitraums t1 wird
diese Spannung im Komparator mit der Spannung der Bezllgsleitung B verglichen. Da
die Ladespannung des Speichers zu diesem Zeitpunkt positiv ist, wird die Spannungsdifferenz
zwischen der positiven Betriebsspannung +U3 und der Ladespannung im darauffolgenden
ersten Codiertaktschritt mit der Zeitdauer t2 verdoppelt, die sich dann ergebende
Ladespannung des Kondensators C ist -negativ. Das Ausgangssignal der bistabilen
Schaltung F entspricht einer binären Null, die Spannungsdifferenz zwischen der negativen
Betriebsspannung UB und der Ladespannung des Kondensators wird wiederum im nächsten
Codiertaktschritt verdoppelt und die Ladespannung uc wird wieder positiv. Dieser
Vorgang wiederholt sich solange, bis alle Codiertaktschritte erfolgt sind. Dann
wird wieder ein neues Analogsignal in den Speicher während des darauffolgenden Zeitraumes
t1 eingespeichert.
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Durch Umkehrung dieses Prinzips des Analog-Digitalwandlers nach der
Erfindung ergibt sich in einfacher Weise ein Digital-Analogwandler.
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Eine Möglichkeit zur Realisisrung der negativen Charakteristik des
Speichers bzw. des Leitwertes ist in Fig. 5 dargestellt.
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Die Fig. 5 zeigt einen Verstärker V mit dem Verstärkungsgrad v. Der
Verstärker ist mit dem Ausgangsspannungsteiler aus den'Widerständen R1 und R2, an
deren gemeinsamen Verbindungspunkt die Gegenkopplungsspannung für den Verstärker
abgegriffen wird, und der Admittanz Y, über die der Verstärker positiv rückgekoppelt
ist, beschaltet. Zur Erzielung eines Speichers mit negativer Charakteristik ist
die Admittanz Y durch die Kapazität eines Kondensators entsprechender Größe darzustellen,
während sich bei einem reellen ohmschen Leitwert ein negativer Leitwert ergibt.
Die Größe des negativen Speichers bzw. des negativen Leitwertes ergibt sich aus
der Gleichung:
Fig. 6 zeigt ein weiter ausgeführtes Beispiel für einen Anerlog-Digitalwandler nach
Fig. 1, bei dem der Speicher eine positive und der Leitwert eine negative Charakteristik
aufweist. In Fig. 6 ist der vom Abtasttakt gesteuerte Schalter S durch die Schalttransistoren
Ta1 und Ts2 und den Übertrager ü realisiert. Die Kollektoren und Basen der Schalttransistoren
sind miteinander verbunden. Ihre Basen werden über den Ubertrager ü vom Abtasttakt
Ti angesteuert. Der Emitter des Schalttransistors Tsi bildet den Eingang ünd der
Emitter des Schalttransistors Ts2 den Ausgang des Abtastschalters.
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Der Ausgang des Schalters S ist mit einen Anschluß des als Speicher
dienenden Kondensators C, sowie mit dem ersten Eingang des Komparators K und dem
einen Anschluß des negativen Leitwertes G verbunden. Der zweite Eingang des Komparators
K, sowie der andere Anschluß des Kondensators C
sind mit einer
Bezugsleitung B verbunden. Der negative Leitwert G ist durch den Verstärker V, der
über die Widerstände R1 und R2 gegengekoppelt und der über den Widerstand R3 rückgekoppelt
ist, realisiert. Der Ausgang des Komparators steht mit dem Eingang eines D-Flip-Flops
F in Verbindung, dessen Ausgang über den Leitwert G mit dem Speicher C verbunden
ist, und der gleichzeitig zusammen mit der Bezugsleitung B den Digitalausgang bildet.
Um mit handelsüblichen bistabilen Schaltungen in integrierter Form eine bipolare
Ausgangsspannung zu erhalten, wird der Analog-Digitalwandler nach Fig. 6 aus einer
Konstantspannungsquelle, bestehend aus dem Widerstand R, der Konstantßtromquelle
J und den beiden Dioden D1 und D2, die eine Begrenzung bewirken, gespeist.
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5 Patentansprüche 6 Figuren