DE2027015A1 - Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen analogen Signales in ein numerisches und umgekehrt und Schaltung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

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PATbMIANVVALT 2. b. 1970

8ÄBnehen21 - «oHtadA« ■ 6i25-IV/He.

T.l.foo ΜΊ742

Societe Generale de Constructions Flectrimies et Hecaniques (ALSTHOI-Ό, Paris 16, Avenue Kleber 38 (Prankreich)

"Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen analogen Signales in ein numerisches und umgekehrt und Schaltung zur Durchführung des Verfahrens."

Prioritäten aus den französischen Patentanmeldungen

69 18122 vom 2. 6.1969

6S 41626 " 2.12.1969

69 ^3997 " I8.i2.i969

70 02023 " 20. I.1970 70 05344 " 13. 2.1970 70 08808 " 9. 3.1970

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen analogen Signales in ein numerisches und umgekehrt sowie eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Zufolge der jüngsten technologischen Portschritte Ist eine rasche und starke Entwicklung der numerischen Techniken eingetreten, und zwar sowohl bei der Informationsverarbeitung als auch bei der Informationsübertragung. Die Eingänge und Ausgänge Jeden Informationsübertragungskanals sind jedoch gegenwärtig

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nicht in numerischer Technik ausgeführt. Nahezu stets liegt die Information in analorer Form vor, einer Form, die dem Menschen die leichtere Aufnahme und Verfolgung der Informationen, der Faschine eine gleichmäßigere Steuerung gestattet. Ebenso ist bei der Informationsaufnahme, d.h. bei der Gewinnung von Informationen, die analoge Darstellung gegenwärtig in der Mehrzahl der Fälle anzutreffen, und zwar weil viele Meßwert aufnehmer dem Vfesen nach analog arbeiten. Folglich tritt in zahlreichen Fällen die Notwendigkeit auf, die in numerischer Form vorliegende Information in die analoge Form umzuwandeln und umgekehrt.

Die bekannten Wandler oder Umsetzer arbeiten nach dem Prinzip der direkten Umwandlung der elektrisch dargestellten Eingangssignale in elektrisch dargestellte Ausgangssignale. Diese beiden Darstellungsarten weisen nur wenige gemeinsame Merkmale auf; für die Umsetzung wird daher eine große Anzahl von Bauteilen, vor allem solche analoger Art, benötigt, welche nur in diskreter Form verwendet und derzeit nicht vollständig in integrierte Schaltungen überführt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umwandlung eines elektrisch dargestellten analogen Signales in ein ebenfalls elektrisch dargestelltes numerisches Signal und umgekehrt sowie eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zu' schaffen, das den größten Teil der analogen Bauteile und insbesondere die Widerstandsnetzwerke der nach dem bekannten Verfahren arbeitenden Umsetzer entbehrlich macht und die Ausführung des Umsetzers in monolitscher Schaltungstechnik ermöglicht.

Diese Aufgabe ist mit dem erfindunersp-emäßen Verfahren dadurch gelöst, daß das betreffende Signal in einer Zwischenumwandlung zunächst in ein Signal mit stochastlscher Darstel-,

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■ - 3 -rt wird.

"ic rchp.3t.unf? zur PurchfOhrunp des erfindunrsgemäßen Verfah- vor.s. pin <v!e';trischer Si mal wandler, mit einem numerisch-stochaptisehen '"andler, bestehend aus einem Generator zur Frzeupunr nspuonr.ufi'llifrer Impulsfellen und mit einen lorischen Vergleicher, dor an seinem Finpar.r daB umzuwandelnde numerische ΓΙrnf]l^l!?'daΓ5 von dem Pseudo-7-ufallsfo3ren-nenerator erzeugte; Fi mal erh;'^:lt" und an Auspanrr'ein ^verftleichsslrnf>l ausribt, das die st oc'^ns- 1 rebe DarsteHlunr dos numerischen Fipnales ist, zeic'"r.r>t nie': nach der ^rrfind.un~ dadurch aus, daß der Pseudo-7ufallsfolren-nenerator eine Pchaltunp; enthalt, die das Auftreten ''op '"ln.^rvortes 0 in allen, ausgenoimr.en in einer bestimmten der ^rt-i:ror. d-■·- Schieberegisters des Sufalls^Jolcen-Cienerators fostRtrü?..t iir·' die dann zwenftsweise den V'ert ο in die auf diese ♦-csM-rt c rtu^i» folpende Stufe einführt und anschließend dort den ^rir'rv;ert 1 einftthrtj vonach die Fchaltunr zu arbeiten aufhört .

^ic stoc5-"^tische Darstellung einer Information besteht darin, den "ert einer GrlVße durch die Wahrscheinlichkeit eines elektrischer "inRrsipnales einen von zwei bestimmten, lopischen rustfrder eirrunehmen» aussudrücJ'en. i?ind die beiden logischen "ustflnde fp?trrelept, so ist die rathematische Eifnalerwartunfr, d.h. der ri'-^^lrittelwert. eine lineare Punktion der ervfShnten Wahrscheinlichkeit. Die stochastische Darstellung ist ihrer Fi pens ch a ft '—c> in. wesentlichen hybrid: der Aus-enblicksvrert der stochastischcn Signale ist nfnlich ein dig-italer \^Tert;, v'Phrend der "itt-elwert dieser Sirnale die Variable in analop-er Form wieder?-"'bt.

?tochastipc>-e Signaldarstellunp vmrde bereits vorgeschlagen, insbesondere von Gaines in "Stochastic cor.puter thrives on noi~ se '*, in "ripctronlce" Band Io, Vr. lh vom 10. Juli I?f7, Sei-"ten 72 bir- 7°» sowie von Poppelbsur. in "Stochastic cor.puting

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elements and systems" in "Proceeding' of the fall Joint computer conference", Band 3I₅ Hi bis 16, November 1967, Seiten 635 bis 6¹I¹I. Danach sollen in dieser Darstellung verschiedene Pechenoperationen vorgenommen werden. Diese Anwendung der 3tochastischen Darstellung erfordert naturgemäß Schaltungen, die es p-estEtten, zunächst von einer Information in numerischer oder analoger Form zu einer stochastischen Darstellung zu gelangen und anschließend, nach Durchführung der Rechenoperationen, von der stocha3tischen Darstellung zu einer Information in numerischer oder analoger Form zurficl'zupelangen.

Bis zum heutigen Zeitpunkt ist Jedoch der bemerkenswerte Vorteil übersehen worden, der darin liegt, eine kaskadenartig aufeinanderfolgende doppelte Umsetzung von der analogen oder numerischen Form in stochastische Form und dann nach dieser Zwißchenumsetzung von der stochastischen in numerische oder analoge Form vorzunehmen. Auf diese Vteise erhält man nämlich einen analog-numerischen V?andler oder einen numerisch-analogen Wandler.

Ein derartiges Verfahren wird nun mit der Erfindung vorgeschlagen. Es hat den Vorteil, daß der danach arbeitende Signalwandler sich vollständig in Form einer integrierten Schaltung herstellen läßt. Sein geringer Platzbedarf und sein niedriger Preis führen zu einer Vervielfachung der Anwendungsmöglichkeiten und insbesondere - wie im einzelnen noch gezeigt werden wird - lfe'ßt sich Jeder Meßwertaufnehmer einer Steuer- oder ^pegelanlage mit dem Signalwandler ausrüsten, wodurch die kostspieligen, analog arbeitenden Multiplexausrüsttmgen eingespart werden können. Eine andere interessante Anwendung ergibt eich im Zusammenhang mit Meßinstrumenten.mit numerischer >, Anzeige, deren Entwicklung der erfindungsgemäße Signalwandler beschleunigen und denen er neue Anwendungsgebiete eröffnen .

kann. .

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! In der Zeichnung ist das erfindungsgemSße Verfahren anhand beispielsweise gewählter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Signalwandlers und seiner Teile vorwiegend im Blockschaltbild schematisch veranschaulicht. Es zeigen:

: Fig. 1 das Prinzipschaltbild des Signalwandlers, Fig. 2 das Prinzipschaltbild der stochastlsehen Kodierung,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines Dekoders zur Umwandlung

, stochastischer Signale in numerische Signale,

Fig. k einen numerisch-analogen Signalwandler, ι Fig. 5 eine besondere Ausführungsform eines Rauschgenerators_s Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Rauschgenerators, Fig. 7 ein Summierglied zur Verwendung in dem Signalwandler, Fig. 8 eine der Zellen des Summiergliedes, Fig. 9 die Anpassung des numerisch-analogen Signalwandlers an ein numerisches Signal, das im Komplementkode zu vorliegt» .

Fig.10 eine Anpassung für den Fall eines Absolutwertkodes, Fig.11 eine Anpassung für den Fall eines Komplementkodes zu 1, Fig. 12 wie Flg. 11,

Fig.13 einen numerisch-analogen Wandler für im BCD-Kode vorliegende Signale,

Fig.I^ einen Pauschgenerator für den Wandler nach Fig. 13, Fig.15 das Prinzipschaltbild eines analog-numerischen Wandlers,

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IM

Pig. l6 ein zu einer Einheit zusammengefaßtes analog arbeitendes Differenz- und Vergleiehsglied zur Vervrendung in dem Signalwandler nach Fig. 15»

Fig. 17 eine logische Bewertungsschaltung, die in dem Signalwandler nach Fig. 15 verwendet v/erden kann,

Fig. 18 einen Vorwärts/Rückwärts-Zähler zur Verwendung in einem Signalwandler nach Fig. 15 zur Umwandlung analoger Signale in numerische, im BCD-Kode kodierter Signale,

Fig. 19 die Einfügung eines Korrekturgliedes in die Schaltung nach Fig. 16,

Fig. 20 eine Ausführungsform des Korrekturgliedes nach Fig. 19,

Fig. 21 die graphische Darstellung der durch das Korrekturglied erzeugten Antwortfunktlon,

Fig. 22 die Einfügung einer Schaltung mit einer bestimmten übertragungsfunktion in die Schaltung nach Fig. l6_s

Fig. 23 eine Ausführungsform dieser Schaltung,

Flg. 2ty die Einfügung einer Anpassungsschaltung in einem Bandpaßfilter,

Fig. 25 die graphisehe Darstellung des Einflusses dieser Schaltung nach Fig. 24 auf die Zeitkonstante des Filters,

i Fig. 26 eine Ausführungsform dieser Schaltung nach Fig. 2ft,

Flg. 27 die Anwendung des erfindungsgemäßen Signalwandlers im Zusammenhang mit der übertragung von Informationen an eine Zentrale.

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Fin anlog-numerieeher oder numerisch-analoger Wandler nach der Frfindunp- besteht nach FIr. 1 aus einer Schaltung 1 zur Umsetzung des Eingangssignales 2, das in anloger oder numeriflcher Form vorliegt, in ein Signal 3 in stochastischer Darstel· lunr . sovie aus einer Schaltung H zur Umsetzung des Signales 3 In ein Ausrcangsslgnal 5 in numerischer oder analoger Form.

Tür Hmkodierung der Information in stochastische Darstellung benf'tlgt nan, einerlei ob man von der Information in numerischer Form oder von der Information in analoger Form ausgeht, bekannterraPen zwei Orundelemente, nftollch einen an die Darstellung des ^Tinrangsslgnales angepaßten Pauschgenerator und einen Verfiel eher. Fi f. 2 zeigt das Prinzinsehaltblld. Der Rauschrenerator ^r- gibt ein Pirnal 7 an einen Vergleicher B ab, der außerdem das zu J'odlerende Signal 9 erhSlt und ein stochastisches Signal Io abrlbt.

r>er Vergleicher führt einen Vergleich zwischen den beiden Größen £ und P- durch, die den Wert des Eingangssignales bzw. den von» Signal des Rauschgenerators angenommenen Wert bezeichnen. Am Aueganr des Vergleichers erhSlt man ein Signal S, nämlich:

B^rA:

S - 1 wenn B < A und S = O wenn Die Wahrscheinlichkeit, daß S=I 1st,beträgt: P(S=I) = p(B«£ A) = '{* f(B) db:

f(D) ist dabei die Pichte der Amplitudemrahrscheinlichhelt des Ausgangssignales E des Rausgenerators. Wenn diese Pichte in einem gegebenen Intervall (0 + V) konstant 1st, nimmt die Wahrscheinlichkeit die Form an:

dB

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-P-

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Um ein bipolares analoges Signal zu erhalten, genügt es, die Wahrscheinlichkeit ρ auf dem logischen Zustand + V und die Wahrscheinlichkeit -p auf dem logischen Zustand - V derart dem Wert E des analogen Signales zuzuordnen, daß folgender Zusammenhang besteht:

E(S) =!(+V) (p) + (-V) (1-p) = V (2p-l) ; und E(S) = O für ρ = 1/2

Um den. übergang von der stochastischen zur numerischen Darstellung zu vollziehen, vergleicht man die stochastische Folge mit einer anderen stochastischen Folge, die das numerische Signal am Ausgang des stochastisch-numerischen Signalwandlers wieder- I gibt. Das Ergebnis dieses Vergleichers steuert einen Vorwärts/ Rückwärts-Zähler, dessen Ausgangssignal die gesuchte numerische Information ist. Für diese Dekodierung wird folglich die vorstehend beschriebene stochastische Kodierung verwendet. Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltild eines derartigen numerischen Dekoders Der Vorwärtszähleingang 12 des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 11 erhält die zu dekodierende stochastische Folge, während der Rückwärtszähleingang 13 die in dem Vergleicher I¹J erzeugte stochastische Folge erhält. Dem Vergleicher l4 wird einerseits das numerische Ausgangssignal 15 des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 11 zugeführt, das das gesuchte Signal ist, und zum anderen das von einem Rauschgenerator 17 erzeugte Signal 16.

Mach dem Stand der Technik stehen daher alle für den Aufbau eines analog-numerischen oder numerisch-analogen Signal ,-Wandlers nach der Erfindung nötigen Elemente zur Verfügung.

4 zeigt ein Beispiel eines derartigen numerisch-analo gen Wandlers. Das numerische Eingangssignal A gelangt bei 18 in einen logischen Vergleicher 19, der außerdem bei 20 ein

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den Vergleicher verlassende stocftastische Signal ist somit direkt und linear mit dem Einfangs signal A verbunden.

. Pie Durchführung einer derartigen Kodierung erfordert somit eine Quelle analogen oder numerischen Pauschens mit genau festgelegten Eigenschaften, nfimllch einer gleichmäßigen Ampli-.tudenvertellung.

Wenn das Eingangssignal numerisch ist, dann stellt bekanntlieh ein Generator die Lösung dieses Problems dar, der Impulse in pseudo-zuf£lliger Folge, sogenannte Pseudo-Zufallsfolgen, abriht, die auf ein Schieberegister gegeben werden. Bei einem analogen Eingangssignal finden bekannte P.auschgeneratoren Verirendunp-, die Tignale liefern, deren Verteilung im allgemeinen <*er ßauss* sehen Olockenkurve folgt _a dort gestattet eine solche Verteilung eine lineare Kodierung in einem Peil des Intervalles (0,1).

Her Vergleicher ist ein nichtlineares Element, nämlich ein bekanntes Element der Analogtechnik. Pei einem numerischen Signal v.'lrd der Vergleicher dagegen aus einigen Logikgliedern aufgebaut.

) Zufolge des Prinzips der stochastischen D^etellung selbst, stellt der Hittelwert des etochastischen Signals den analogen Vfert der vdederzugebenden Größe' dar. Der übergang von der stochastischen zur analogen Darstellung geschieht folglich mittels eines Bandpaßfilters. Die Filterung bestimmt zum einen die das Fignal beeinflußenden Amplitudenschwankungen und somit die Genauigkeit, zum anderen Teil die Zeitkonstante der Dekodierung und folglich die Durchlaßbandbreite. Eine Erhöhung der Filterzeltkonstante führt zu einer Verminderung der Schwankungen und der Bandbreite der Umsetzung.

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von dem Rauschgenerator 21 erzeugte Signal erhalt und ein Signal 22 an ein Bandpaßfilter 23 abgibt, an dessen Ausgang 2*! man das gesuchte Analogsignal erhalt.

Das Bandpaßfilter 23 kann aus einem einzigen RC-filied oder aus zwei PC-Gliedern, wie in der Figur dargestellt, bestehen.

Der Rauschgenerator 21 besteht in bekannter Weise aus einer. Schieberegister, das sich aus r bistabilen Kippstufen 25 zusammensetzt ₃ die von einem nicht dargestellten Taktgeber gesteuert werden und über ein Summierglied 26, das als EXKLUSIV-ODER-Glied ausgeführt ist, gegengekoppelt sind. Die Taktgeber-■ impulse werden über die Leitung 27 zugeführt.

ι Die Verbindung zwischen dem logischen Vergleicher und dem

; Filter 23 ist überfeine Kippstufe 28 zur regenerierung des den logischen Vergleicher bei 29 verlassenden Signales und über eine weitere Regenerations schaltung 30 hergestellt, v/elch letz-

^: tere aus zwei HOS-Transistoren ("etalloxyd-Halbleiter) 31 und 32 besteht.

Nach einem Merkmal der Erfindung ist nur ein Teil η der r Ausgangsdigits, d.h. der Ausgangsziffern des Pseudo-Zufallsfolgen-Generators 21 mit dem Vergleicher 19 verbunden. Es genügt dabei, daß η = r - 1, d.h., es genügt diene Zahl von Digits, d.h. Ziffern ζμ nehmen, die um eine Finheit kleiner ist, als die Gesamtzahl der Ausgangsdigits des Pseudo-Zufallsfolgen-Generators.

In diesem Generator tritt niemals die Folge O auf, da ein Digit in Jeder Folge den ^TJert 1 hat. Betrachtet man die Gesamtzahl der Digits weniger eins = r - 1, so ergibt ich dagegen, daß stets äine Folge 0 auftritt und man hat auf diese !'eise eine gleichförmige Verteilung der Rauschfolge, v;obei die Gleich-

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f"rrirleit/fHr die Unwandlunr numerischer Signal in die Dar- ; st'p]lunr positiver oder negativer Mahlen als Komplement zu zwei .1st.

ⁿio ⁿlcichf^rnigkeit der Verteilung der Pauschfolre kann _; puch ur-ter Verwendung aller Πfits des Rauschgenerators erzielt j vorden, dann ,ledoch unter zwangsveiser Einführung der Folge O, ■ hol der sich pIso alle Pipits, d.h. alle Stufen, im Zustand O befinden, Kierzu wird eine Hi]fsschaltung vorgesehen, die daß Auftreten des Wertes bzw. Zustandes π in allen Stufen, mit Ausnahro einer einsigen bestimmten Stufe des Schieberegisters (beispielsweise in den r - 1 ersten Stufen) feststellt und daraufhin die zwangsweise Einführung des Wertes O in die auf die bestimmte Stufe folgende Stufe (im gewählten Beispiel die erste Stufe) steuert und anschließend den Wert i einführt, wonach der F.yl'lus nich ohne Beteiligung der Hilfsschaltung fortsetzt. Fir· ^c veranschaulicht ein Ausfllhrunrsbeispiel. Ein logisches, UND-Glied 33 erhält die Ausgangssignale der r - 1 ersten Stufen des rchiebereristers des Pseudo-Zufallsfolgen-Generators 21, noch dem diese logHsche Umkehrstufen oder Inverter oder Komplement glieder 3^durchlaufen haben. Das UND-Glied 33 gibt bei 35 ein dem Blniirwert i entsprechendes Signal ab, wenn alle seine Eingangssignal den Wert i haben. Ein logisches EXKLUSIV-ODER-Glied 3^ erholt dieses Ausgangssignal des UND-Gliedes 33 sowie das von dem Glied 26 bei 37 abgegebene Signal. Wenn nun in diesem Moment das von der letzten Stufe r des Schieberegisters an das Flement 26 abgegebene Signal den Binärwert 1 hat, dann tritt bei 37 ein Signal auf, das ebenfalls den Wert i/ifnd das Element 3^ schickt in die erste Stufe des Schieberegisters ein Pin^rsignal 0. Alle Stufen des Registers haben nun den Zustand und in dem Register liegt daher die Folge 0 vor. Beim nächsten Takt ist bei 37 das Signal 0, während es bei 35 weiterhin 1 ist, so daß ein Signal 1 in die erste Stufe des Schieberegisters

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eingeführt wird. Anschließend wird das UND-Glied 33 unwirksam und man erhält dieselben Polgen, wie bei Abwesenheit dieses ΤίίΤΠ-Gliedes 33» bis wieder in allen r - 1 ersten Stufen des Schieberegisters die Zustände bzw. Signale O herrschen.

Die Verwirklichung eines Pseudo-Zufallsfolgen-Generators mit zwangswei&er Einführung einer Folge O nach dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel, gestattet die Stufenzahl des Schieberegisters zu verringern und dadurch die Leistungen zu verbessern. Außerdem ist ein derartiger Generator selbstanlaufend: Man braucht sich nicht vorweg besonders darüber zu versichern, daß nicht in allen Stufen der Zustand O und damit die Folge Q herrscht.

Anstelle des Pauschgenerators 21, der aus einem überbrückten Schieberegister besteht, wie dies in Fin;, k dargestellt ist, kann wesentlich vorteilhafter ein reiner Binärzähler verwendet werden, bei dem man, im Gegensatz zu der üblichen Verwendung eines derartigen Zählers, die Taktimpulse.von den Digits, d.h. den Stufen mit hoher Bewertung herkommen läßt. Dieser in Fig. abgebildete Binärzöhler enthält η Stufen, wobei η gleich der Zahl der bei 20 an den logischen Vergleicher 19 (Pig. ¹O abgegebenen Digits ist. Jede binäre Kippstufe dieses Zählers teilt die von der vorhergehenden Stufe kommende Frequenz durch 2vrel, wobei die von einem nicht dargestellten Taktgeber bei 27 ankommende Eingangsfreauenz F der Kippstufe zugeführt wird, die das T^-1IrIt ^p _n« "it der höchsten Bewertung oder dem größten Gewicht abgibt. Die an den Ausgängen der verschiedenen Stufen aufeinanderfolgenden Frequenzen sind folglich F/2, F/|f... .P/2ⁿ.

Fin F.irnalvranrtler, der mit einem derartigen. Rauschgenerator arbeitet, besitzt eine Zeitkonstante, die viermal kleiner ist als die rines Firnelvandlers nit einer Pseu'io-Zufallsfolgen-

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Generator. Hierin ist für zahlreiche Anwendungen ein wesentlicher Vorteil"zu erblicken.

Der logische Vergleicher 19 kann von bekanntem Aufbau sein. Seine Aufgabe besteht darin, die beiden folgenden Signale zu liefern:

S a wenn B < A; und
S = D wenn B £> A. .

Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, diesen Vergleicher als Summierglied auszubilden, wie nachstehend gezeigt werden wird.

Fenn man das Signal B betrachtet, ist es möglich, dieses Ziffer für Ziffer in sein Komplement zu verwandeln, ohne die Verteilung zu ändern. Bei B + B = 2ⁿ - 1, wird die Beziehung S=I wenn B*£ A :

S=I wenn B + B < A f B oder auch B + B*< A + B und man kann nun B durch B ersetzen, d.h.: A + B> 2

n-1

Diese letzte Gleichung zeigt, daß man den Vergleicher 19 in Form eines Summierhalbgliedes verwirklichen kann, das ein Bi- · närsignal 1 liefern soll, wenn die Summe zweier Binärsignale A und B mit η Ziffern zum Auftreten eines Überganges auf die nte Ziffer führt.

Pig.7 zeigt ein solches Summierhalb glied, d.h. ein Summierglied, das nicht auf das Ergebnis anspricht, sondern nur auf den Rest. Es setzt sich aus η Gliedern 38 zusammen, deren jedes eine Ziffer A₀ bis A_n-1 des numerischen Eingangssignales und eine Ziffer B₀ bis B_n-1 des Rauschsignales erhält und ein Restsignal O₀ bis-C_n-1 an das folgende Glied abgibt, mit Ausnahme

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des Restsignales ^c _n_jj das das stochastisch^ Signal 29 bildet.

Pig. 8 zeiEt eines der Glieder 38 der PIg. 7, bestehend aus NAND-Gliedern. Ein NAND-Glied 39 erhält die Ziffer A_R des Eingangssignales und die Ziffer B„ des Rauschsignales; ein weiteres NAND-Glied 40 erhält die Ziffer B_H des Rauschsignales und die Restziffer C^₁ des vorhergehenden Gliedes 38: ein weiteres NAND-Glied 'H erhält die Ziffer A_fi des Eingangssiimales und die Restziffer C. . des vorhergehenden Gliedes 3?- schließlich erhält noch ein NAND-Glied H2 die von den NAND-Gliedern 39, HO und *!1 abgegebenen Signale und liefert die Restziffer C^.

Das erste Glied 38 des Vergleichers 19, das keine Restziffer erhält, kann vereinfacht vrerden und enthSiF/ftfifiD-Glied, das die Ziffern A_Q und B₀ erhält und ein Signal abgibt, das nach Durchlaufen eines Inverters die Restziffer C₀ bildet.

Im folgenden soll nun gezeigt werden, v/ie die Kodierschaltung für die stochastlsche Darstellung mit Summierhalbglied an drei Arten der reinen Binärzählung angepaßt werden kann, die zur Wiedergabe positiver oder negativer Zahlen in numerischen Signalen dienen können. Fs handelt sich hierbei um den sogenannten vrahren Komplementkode oder Komplementkode zu 2, den Absolutwertoder Betragkode und den gekürzten oder Komplement zu 1-Kode. In diesen drei Darstellungsarten wird ein Vorzeichenbit verwendet, das vereinbarungsgemäß den Binärwert O annehmen soll, wenn die Zahl positiv ist und den Binärwert 1, wenn die Zahl negativ 1st.

Bei dem Komplement zu 2-Kode. der seit langem der am häufigsten verwendete ist, ist das wahre Komplement einer Zahl A definiert als die Zahl 2ⁿ~ - A, wenn A «, das Bit mit der höchsten Bewertung ist und A^ dasjenige mit der geringsten

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Bewertunr: /_n ist das Vorzeichenbit. Bei dieser Darstellung renügt es erfindungsgeml'ß, vor dem Rummierhalbglied einen lo gischon Inverter ff!r das Vorzeichenbit dee umzuwandelnden nu merischen Pimales vorzusehen. In PIp;. 9 ißt dieser Inverter mit ^3 bezeichnet.

Pol der¹ Absolutwert- oder Betranskode ordnet man dem Vorzeichenbit ßp όην. Vorzeichen der Zahl zu und den Eit A. bis A_n-^ den Totrar. Fei r'ieser Darstellung genügt es erflndungsgemäß, anstelle r"es Vcrzeichenbltß' A_n in dae Summierhalbglied 19 ein

dna stetr don Pin^rwert 1 hat, einzugehen und den Ausfang des runr-iorI-ribr-3iedeB nit einer, logischer FJTKLUSIV-ODFr-niied.. 'Mf zu vorbinder, das ebenfalls an Einrang das Vorzeichenbit A_n erhf'lt und Vei 29 das stochastische Sisnal abgibt, wie in Fig. dargestellt.

Pei dem verl'Hrzten KomplenentPrkode oder Komplement zu 1-Kode ist das verkarste "oraplersent der 7ahl A definiert als die Zahl 2 -A-I. FrfindunßSjreriU]» kann nan nit dieser Darstellung vorzufnveise <*ie "odlerung in verkürzten Komplementen in eine Kodierung in währen Komplementen verhandeln und die Umsetzung dann,ausgehend vor der letzten Kodierung, vornehmen. Fiersu ist vor der Pummierhalbplied 19 einerseits ein Sumnlerglied ^5 vorgesehen, das die Furane aus dem numerischen umzuwandelnden Signal und dem Vorzeichenbit A^ vornimmt und sum anderen ein lorischer Inverter '!6, der dieses Vorzeicherbit erholt und sein Aus gangs-■signal, an das Purr.ierhalbglied 19 abgibt. v?ie in Fig. 11 gezeigt.

Diese Umv.'pndlung kann erfindungsgerl'ß auch mit Hilfe einer einfacheren Schaltung vorgenommen rerden, und zwar dadurch, daß die Kodierung in verkürzten Kompl. eine η ten vorher nicht ir eine Kodierung'" in wahren Komplementen, sondern in eine Betra-skodierunp transformiert wird.-Dies geschieht durch Ziffer" f'*r Ziffer

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erfolgende Komplement!er wie aller anderen Bits des numerischen Eingangsslgnales, wenn das Vorzeichenbit einer negativen Zahl entspricht.

Wie Fig. 12 zeigt, wird hler zu dem. Summierhalbglied 19 in Jeder Bit-Eingangsleitung A₁ bis A_n-1 des numerischen Signales ein EXKLUSIV-ODER-Glled 47 vorgeschaltet, das außerdem am Finpang das Vorzeichenbit A₀ erhält. Anstelle des Vorzeichenbits wird in dae Summierhalbglied 19 ein Bit,eingespeist, das stets den Wert 1 hat. Schließlich ist noch der Ausgang des Summierhalbftliedes mit einem logischen EXKLUSIV-ODER-CUled 44 verbunden, das außerdem am Eingang das Vorzeichenbit A_Q erhält und bei 29 ein stochastlsches Signal abgibt.

Die Schaltung zur stochastIschen Kodierung kann auch an die Signaldarstellung im BCD-tfode (binärkodierte Dezimalzahlen) angepaßt werden. Diese Darstellungsart ist besonders in der Instrumententechnik häufig vertreten, wo die Anzeige in dezimaler Darstellung erfolgt. Bei dieser Darstellung sind für jede Dekade, d.h. für die Einser-Stelle, Zehner-Stelle, Hunderter-Stelle u.β.w., vier Bits mit entsprechender Bewertung 2 , 2¹, 2 und 2r'. Für eine Anzahl π Dekaden sind also vier m Ziffern nötig, d.h., daß für eine Zahl, die zwischen eins und tausend liegt, beispielsweise zwölf Ziffern benötigt werden. Hierzu werden vier m Ziffern, im Beispiel also zwölf Ziffer¹ eines Rauschgenerators 21 genommen, wie in Fig. 13 angedeutet. Diese Ziffern werden in einem Vergleicher 19 mit den zwölf Ziffern rfes zu kodierenden BCD-Signals, die bei 18 ankommen, verglichen und das Ergebnis dieses Verrleichs wird in den. Schaltunpen 28, 30, 23 wie im Falle der Fig. 4, weiterverarbeiteti doch wird am Ausgang 24 dee Bandpaßfliters 23 einVerstärker ▼orpesehen, dessen Verstärkung gleich Α,Ο9-ίί ist.. Die Wahrscheinlichkeit des BCD-Slgnales liegt zwischen.0 und

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(anstelle von O bis 1) und die Verstärkung des Verstärkers gestattet folglich den Faktor · zu kompensieren.

Im Falle der BCD-Darsteilung läßt sich Jedoch als Rauschgenerator 21 anstelle eines überbrückten Schieberegisters erfindungsgemäß besonders vorteilhaft ein binärkodierter Dezimalzähler verwenden, bei dem die Taktimpulse von Seiten der Dekade mit dem größten Gewicht bzw. der höchsten Bewertung kommen, wie in Fig.14 am Beispiel veranschaulicht. Dieser Zähler enthält drei Kippstufai die die Frequenz der Eingangsimpulse durch zehn teilai, wobei jede Kippstufe einer Dekade entspricht, nämlich beispielsweise von links nach rechts der Einer-Stelle, der Zehner-Stelle und ; der Hunderter-Stelle und die bei 27 ankommenden Taktimpulse von der Hunderter-Stelle herkommen.

Zur Verwirklichung eines analog-numerischen Signalwandlers kann erfindungsgemäß anstelle der aufeinanderfolgenden Umsetzungen von der analogen in die stochastische Darstellung und dann von der stochastischen in die numerische Darstellung mit Vorteil die umgekehrte Umsetzung vorgenommen v/erden, die von der gesuchten numerischen Quantität ausgeht. Hierzu wird die numerische in die stochastische Darstellung, dann die stochastische in die analoge Darstellung umgewandelt und die sä--- erhaltene analoge Information, die die gesuchte numerische Quantität wiedergibt, mit der analogen Eingangsinßrmation verglichen. Mit dem Ergebnis dieses Vergleichs wird ein Vorwärts/Rückwärts-Zähler gesteuert, dessen Inhalt die gesuchte numerische Quantität ist. *

Fig. 15 zeigt schematisch einen analog-numerischen Signalwandler dieser Art. Dieser Wandler enthält eine numerisch-stocha'-stis.che Umsetzerschaltung, die sich, wie vorstehend gezeigt, aus einem Summierhalbglled 19 und einem Rauschgenerator 21 zusammensetzt. Diese Umsetzerschaltung erhält an ihrem Eingang 18 das

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gesuchte numerische Signal *>9. Ihr nachgeschaltet sind Herenerierungsschaltungen 28, 30 (hier nicht dargestellt), an deren Ausgang ein stochastisches Signal 22 zur Verfüpunp· steht, das in einer aus dem Bandpaßfilter 23 bestehenden stochastisch-analogen Umsetzerschaltung in ein analoges Signal 2H umgewandelt wird, das auf den Eingang 50 eines Summiergliedes 51 gegeben wird, dessen anderer Eingang 52 das umzuwandelnde analoge Flrnal erhält. Der Ausgang 53 des Summiergliedes 51 ist mit einem analogen Schwellwertvergleicher 5^ verbunden, dessen Ausgt'nge 55 und 56 einen Vorwärts/Rückwärts-Zähler 57 steuern, an dessen Ausgang wiederumman das gesuchte numerische Signal ¹19 abnimmt

Fig. 16 zeigt eine Ausführungsform der aus dem. Summierglied' 51 und dem Analogvergleicher 5¹* bestehenden Einheit. Pas Summlerglied setzt sich aus den Widerständen 58 und 59 zusammen, die am einen Ende miteinander verbunden sind. und. deren jeweiliges freies Fnde mit den Eingängen 50 bzw. 52 in Verbindung steht. Der Vergleicher besteht aus einem Eingangsverstärker 6^ri, dessen Verstärkung durch zwei Widerst ilnde Sl und 62 bestimmt ist, wovon letzterer zwischen Verstärkerausp;ang und Verst'^;rkereingang, ersterer zwischen Verstärkereingang und Masse liegt. Wenn die Werte der Widerstände 58 und 59 mit P₁ und R₂ bezeich-

1 net werden, so 1st der Verstärkungsfaktor:

R₁ +

"2

Diese Verstärkung gestattet es, die obere und die untere Schwelle größer und so dem Vergleicher weniger drifterpfindlich zu machen. Der Ausgang des Verstärkers 60 ist mit zwei Verstärkern 63 und Sk verbunden, die Schwellwertspannungen V_R und -Vp erhalten und bei 55 einen VorwärtszShlbefehl und bei 56 einen Rückwärtszählbefehl abgeben. Bei zahlreichen An« Wendungen kann man sich mit einer geringeren Genauigkeit als der, die mit Hilfe des VorwSrts/RÜckwärts-Zöhlers 57erzielt wird, begnügen und diese durch eine logische Bewertungsschaltun?·

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flr*. errjotzen, auf dcron Aufbau nicht n.ther einge- zv vrcr^on braucht. In ^pir. 17 ist daher die anstelle drr, 7cr'.'.''rtF/ri!ck\.'frts-üf?hlers 57 tretende Dewertungsschaltung ^rt} nur scher.atisch angedeutet. Sie enthalt ein Zeitbaslsregistc-r tf-, df?r Vci *7 mit einem Taktgeber verbunden ist und über Λ\ο Auprrfnrp ^fQ und ^O ein den Peginn bzw. das Ende der Umsetnunr anz^irendes Signal abgibt. Von dem Register gelangen dir Trpulse an den rinranp einer lorischen Schaltung 70, die VoJ Γ^π und Γ>^ *le vom Vergleicher kommenden Befehle erhält* und die !.?dunr und Entladung, eines Γν/ischenregisters 71 steuert, an deren iuprinr zu durch die über 68 und 69 ankommende Inforration festrolerton Zeitpunkten das resuchte numerische Signal 'i° entnorrer 'orden kann.

"cnn ein numerisches Signal In BCD-OarstellunK erhalten werfOr. F^]?, rorf'rt es, in dem Hlockschaltbild der Fig. 15 als Vcrvfrtp/pücIa-^rts-Zflhler 57 einen RCD-Vorwßrts/Rfickwörts-Zfihler ru verwenden, ^ieser Vorwfirts/Rüclwf.rts-ZP-hler ist In Flg. 18 fflr den ^aIl von drei Dekaden darrestellt.

^t5ei dem pr.alop-numerischen Signalwandler mit Vorwärts/Rttckvri»rts-?i⁵hler nach Fig. 15 ist es möglich, die Zeitkonstante der Schaltung beirr Auftreten eines Fehlersignales bei 53 zwischen den beiden Informationen 50 und 52 zu vermindern und die Stabilität der Umwandlung durch Herstellung einer Regelung zwischen diesem Fehlersignal und der Integrationszeltkonstante des Vorvi^.rts/PUCkWf=¹Tts-Tiihlers 57 zu verbessern, vrobei die Abhängigkeit so getroffen wird, daß sich die Verstärkung des Integrators verringert, v.^fenn der absolute Betrag des Fehlers abnimmt.

Beim Auftreten eines Fehlers trachtet folglich das System zunächst, diesen sehr schnell zu vermindern. Wenn dann der Fehler 'klein wlrt". verlangsamt sich die Arbeitsweise des Systems

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O ·

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zunehmend, um Oberschwinger des Fehlerwertes zu vermeiden und diesen gleichmäßig zu beseitigen.

Die Integrationszeitkonstante ist an die Frequenz gebunden, mit der die Vorwärtszählung oder Rückwärtszählung in dem Vorwärts-/Rückwärts-Zählers 57 geschieht. Auf diese Frequenz wird daher in Abhängigkeit von dem Fehlerwert eingewirkt.

Fig. 19 zeigt schematisch die Einfügung einer Korrekturschaltung 72, die bei 73 das von 5.1 kommende Fehlersirnal erhält und über eine Leitung 7¹! auf den Vorwärts/RÜckwärts-Zähler 57 einwirkt, um die Inteprationsverstärkung herabzusetzen. Die Korrekturschaltung 7?. besitzt eine übertragungsfunktion der Form — oder —²^- , worin e den Fehler bezeichnet und dCund ß

let+ ß e

Konstanten siml. Die Wirkung der Korrekturschaltung 72 kann eich insbesondere auf die Taktfrequenz des Voirwärts/Rückwärts-Zählers 57 erstrecken. Dies® Frequenz wird beispielsweise durch logische Schaltungen mehrfach geteilt und ein Schalter gestattet die Frequenz in Abhängigkeit von dem von der Korrekturschaltung 72 erhaltenen Signal auszuwählen. Derartiges ist an sich bekannt und aus diesem Grunde nicht dargesteüH:.

Wenn der Taktgeber aus einem Pelaxatlonsoszillator oder J'inpschwingunrsosziIlator besteht, kann nan e3n dem absoluten. Petrar des Fehlers entsprechendes Signal snf die Zeitkons.tante dieses Oszillators und insbesondere auf e'en ^iese Zeitkonstante bestimmenden Widerstand einwirken lassen. Dies kann durch Einfügung eines Potentiometers in das RC-niied des Oszillators und die automatische Pepelung de» ersteren in Abhängigkeit von dem ''er Absolutwert des Fehlers entsprechenden Firnal geschehen.

^! rrfinciungsgemäf⁵ kann man aber auch ir *^τ ^pC-Schaltung des Oszillators einen "iderstand vie einen !Ti'-^ranEintor vorsehen.

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der dieses von dem absoluten Betrag des Fehlers abgeleitete Signal erhält und - abhängig von diesem - seinen Zustand derart ändert, daß er für geringe Fehlerwerte einen großen Widerstand und für große Fehlerwerte einen geringen Widerstand besitzt. Flg. 20 zeigt ein Ausführungsbilspiel. Der Oszillator, der an seinem Ausgang 75 die Taktlmpulse für den Vorwärts/Rückwärts-Zähler 57 abgibt, besteht im wesentlichen aus den Transistoren 76 und 77 und einer RC-Schaltung, die einen Kondensator 78 und einen MOS-Transistor 79 iiefaÄt, dessen Gitter Q ein dem absoluten Betrag des Fehlere entsprechendes Signal 80 erhält. Die Widerstände 81 und 82 sind entsprechend den Eigenschaften des Transistors 79 und der Kurve F(I el) der Frequenz f des Oszillators in Abhängigkeit von dea absoluten Betrag des Fehlers e gewählt.

Diese Kurve hat den in Fig. 21 wiedergegebenen Verlauf. Die Gewinnung des absoluten Betrages des fehlers aus dessen tatsächlichem Wert 1st nicht dargestellt, da sie mit eiller bekannten Schaltung der analogen Schaltungstechnik durchgeführt werden kann.

Eine andere Art der Verringerung der Zeitkonstante des Systems beim Auftreten eines Fehlersignales bei 53 und folglich der Verbesserung der Umwandlungsstabilität besteht darin, dieses Fehlersignal vor seinem Eintreffen am Eingang des Analogvergleichers eine Korrekturschaltung durchlaufen iu lassen, deren Übergangs funktion gleich 1 +As ist, worin s die Laplace-Variable und K ein Koeffizient ist. Dies führt daau, de» Fehler eiSⁿTeil seiner Ableitung hinzuzufügen, wobei der Teil durch den KoeffiiitntenA definiert ist, und folglich dem Fehler eine Phasenvoreilung zu erteilen, wodurch schneller der Bereich des Vorwärts/Rückwärtsasähltrs erreioht wird, indem keine Steuerung mehr stattfindet.

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Fig. 22 zeigt die Anordnung einer derartigen Korrekturschaltung 83, die aus einem bekannten Differenzierglied bestehen kann.

Man kann jedoch auch, wie dies Fig. 23 zeigt, die Differenzierschaltung durch einfache Hinzufügung eines Kondensators R*i parallel zum Widerstand 61, der zwischen Hasse und dem Elnpanp des Verstärkers 60 des Analogverglelchers nach Fig. l6 liegt, verwirklichen.

Die Genauigkeit der mittels des Bandpaßfilters 23 durchgeführten Umsetzung kann in bekannter Weise durch Erhöhung der Wirksamkeit der Filterung gesteigert werden, daraus ergibt sich aber eine Verringerung der Zeitkonstante und folglich eine Verringerung der Durchlaßbandbrelte» Für eine vorgegebene Genauigkeit kann aber nun auf die nachstehend beschriebene erflndungsgemäße Welse die Bandbreite der Umwandlung im Verhältnis zu der einer bekannte» Filterung vergrößert werden. Dabei wird von der Tatsache ausgegangen, daß die Amplitude der Schwankungen in Abhängigkeit von dem stochastIschen Signal sich ändert. Sie ist nämlich am geringsten für eine Wahrscheinlichkeit des stochastischen Signals gleich 0 oder gleich 1 und am größten für eine Wahrscheinlichkeit gleich 1/2. Mit dieser Amplitude ändert sich auob la umgekehrter Hinsicht die Zeitkonstante der Filterung; die Schwankungen des Signals würden atf einem etwa konstanten Werfe gehalten, wenn die Zeitkonstante sloh in Abhängigkeit von des* Wahrscheinlichkeit des stochastisehen Signals in derselben Welse Indern würde, wie dies die Schwankungen bei fester Zeltkojtetante tun würden.

Der Filterschaltung wird daher eine Zeitkonstante gegeben, die sich in Abhängigkeit voft (lest Mittelwert des Ausgangssignales dieser Schaltung derart ändert, daß sie ihrtn grflPten Wert für

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BAD ORIGSMAL

Ii « ■

pirn rahriohelnlichkeit des stochpstischen Signale nahe 1/2 und ihren kleinsten t'.'ert für eine? Wahrscheinlichkeit nahe bei 1 bei O hat.

TMr. 2Ί zeigt eine Filterschaltung 23, die bei 22 ein stochastisches Signal erholt und bei 2k ein analoges Signal abp-ibt. Tine. Schaltung 85 zur Anpassung der Teitkonste dor ^iI-terschrltunp; 23 erhält bei ^p£ das analoge Signal 2, das \ ei ?J'· nl-renommen vrird und wirkt auf einen Paraneter ein, der die reitlcnntante der Tilterschaltunr 23 festlefrt, was durch die Toitunr P7 nnf-edeutet ist. Piesn ^Tiirl'ung l:i'nnte beispiolßueise auf AiG Kapazltc"t der Filterschrltunr ?-3 ausgeübt werdnn. fs ist Jedoch einfacher, den Widerrtand zu iHndern. Eine teknnnte und daher nicht dargestellte Ausf(lhrunr»sform besteht darin, in der Filterschnltunp 23 ein automatisches Potentioneter anzuordnen, das vcr, einer f'ctor derart angetrieben wird. daP der Widerstand des Pot cntioneters von dem IJert des analogen les Z₉ beisrielsrcise unter Zwischenschaltung einer ßalvanor.etrischen Finrichtunp, bestlnOTt wird.

r-as analoge Signal ? hat die Formt Z - Ά ♦ & p(S = I)₉ uorin ά. und β Konstanten sind und p(S « 1) die Fahrsqheinllchkeit der sfochastischen Folge ist. Durch Festlegung des Wlderetandswertes des Potentiometers nach dem Wert des Analogsignales Z lilfit sich eine "eitkonstante T der Filterschaltung 23 erbalten» die sich in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit der stochaetischen "elfte nach der in Fig. 25 wiedergegebenen Kurve ändert.

Anpassungsschaltung 85 ist in Fig. 24 als getrennte Schaltung dargestellt.· Sie kann Jedoch auch integraler Teil der Filterschaltung sein. Dies ist der Fall, wenn nach einem pndc-ren Merkmal der Erfindung die ^1?ileerschaltung einen '.'icler stanc¹ wie einen MOS-Transistor aufweist, der sich (und damit

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in

die Zeitkonstante) mit dem analogen Ausgangssignal/der vorstehend beschriebenen Weise ändert, d.h. seinen Maximalwert für eine Wahrscheinlichkeit nahe von 1/2 und seinen Minimalwert für eine Wahrscheinlichkeit des stochastischen Signales nahe von O oder von i hat«

Pig« 26 zeigt ein derartiges Beispiel einer Filterschaltung, die einen MOS-Transistor 88 und einen Kondensator 89 enthält. Das.bei 22 ankommende stochaetische Signal gelangt an den Drain-Anschluß D des Transistors 88, dessen fritter G an Masse liegt und dessen Source-Anschluß S, mit einer Klemme des Kondensators 89 verbunden, dessen andere Klemme an Masse liegt, bei 2k das analoge Ausgangssignal liefert.

Die Oitter-Source-Spannung des Transistors BP ist durch das analoge Ausgangssignal 2k vorgegeben und der Widerstand dieses Transistors ist für geringe Werte dieser Spannung sehr rrroß und nimmt dann rasch ab, wenn diese Spannung über eine bestimmte Schwelle hinauejwächst. Der transistor 88 bildet so einen Widerstand, der seinen Wert selbsttätig in der gewünschten Weise ändertj_TA.u8 dem Vorstehend besagten geht hervor, daß die Verwendung der stochastischen Informationsdarstellung eine bemerkenswerte Verringerung der 7ahl der analogen Schaltungen gestattet, die an der numerisch-analogen Umsetzung beteiligt sind. Der analoge Teil des Slgnalwandlers nach der Erfindung ist nämlich einfach auf die Verwendung eines bekannten Pandpaßfliters zurückgeführt. Da In vielen Fällen die analogen Orpane, die die analoge Information aufnehmen, üblicherweise bereits selbst Bandpaßfilter sind, kann darüberhinaus das Pandpaßfliter des Signalwandlers entfallen. Weiterhin bringt der Portfall der analogen Schaltungen eine sehr gute Temperaturstabilität mit sich, da der Hittelwert des AusgangssignaleB keinerlei analoge Driftkompenente enthält, wenn die Speisespannungen t^er Γ irr a !former bzw. Sirrnalrepenerierungsschaltunf?

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stabil ist. Die Speisespannung der übrigen Schaltung kann vollständig unabhängig von den Speisespannungen der Signalregenerierungsschaltung sein. '

Die numerisch-stochastische Umsetzung benötigt nur eine

geringe Zahl logischer Schaltungen, die miniaturisiert und I

als integrierte Schaltung in einem einzigen Gehäuse unterge- ;

bracht v/erden können.

Diese praktische Bedeutung dieser Miniaturisierung ergibt sich insbesondere aus einem Anwendungsbeispiel eines analog- < numerischen Signalwandlers zur Zwischenumsetzung in stochastische Darstellung. Dieses Beispiel betrifft die Übertragung von von verschiedenen Meßwertaufnehmern aufgenommen Informationen an eine zentrale Verarbeitungsstation, ein Fall, wie er beispielsweise im Zusammenhang mit industriellen Regelstrecken . auftaucht.

Dabei werden die Informationen der Meßwertaufnehmer in analoger Form geliefert und die Verarbeitung der Information geschieht vorzugsweise in numerischer Form, ".ozu bisher ein Übertragungskanal zwischen jedem Heßwertaufnehmer und der Zentralstation für die Informationsverarbeitung vorgesehen wurde, oder auch ein Feßstellenwahlschalter, der nacheinander die einzelnen Kanäle über einen einzigen analog-numerischen Wandler abgetastet hat, an welch letzterem sich die Schaltungen für die numerische Verarbeitung anschlössen.

Diese Anordnung ist zufolge der Tatsache, daß sie eine große Anzahl von übertragungskanfe'len mit einer Verstcirkunn-Jiles analogen Signales für die großen Entfernungen benötigt, kostpielig. Auch der Eur raschen Abtastung der verschiedenen Fanale vorzusehende "nalo^-nunerische Wandler hoher Leistunpsfähip.kei.t trägt zu ■ 'f.i großen Kosten bei.

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Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, daf» nahe jeden feßwertaufnehmers ein analog-numerischer Signalwandler nach der Frfindung und eine" numerisches Register angeordnet './erden, wobei der Fingang des letzteren mit dem Ausgang -des Signalwandler verbunden ist und bei Frhalt eines entsprechenden Befehles der Registerinhalt über einen einzigen Wbertragungskanal geleert wird, der allen oder wenigsten mehreren Meßwertaufnehmern Femeinsam ist und sie mit der Zentralstation für die Informationsverarbeitung verbindet.

Das Register kann ein Integraler Teil des analog-numerischen 'handlers sein, wie diee Pig. 27 veranschaulicht«

Meßwertaufnehmer C* bis C schicken Ihre Informationen in analoger Form an die entsprechenden Signalwandler D^ bis D , die eine Umwandlung In die numerische Form vornehmen.

In diese Signalwandler sind numerische Register integriert, die über die Kanäle 90 Befehle empfangen und eine Information über den gemeinsamen Meßwertübertragungkanal 91 an eine Einheit 92 abgeben, die am Eingang eines Rechners 92 vorgesehen 1st und die Abgabe der Meßwerte steuert.

Die Steuerung der Fessungen oder der Meßwertabstabe kann durch die Einheit 92 ausgelöst v/erden, die über den Kanal 90 ein Signal an den V/andler P mit der Ordnungszahl k abrlbt. Das ^oepist·-:. r des Wandlers D der ^rdnunsrszahl k schickt seine Informationen über den Kanal 91 und sendet dann ein Signal ^{r r}nde der ^TTes.^r:un^' , das die Abgabe des ^r:eiiwerbes des Heßv/ertaufnehners dp beiur IeLsvrelse auslöst: und <jo fort, bis vrleder der HePvrertaufnehmer ^r'\^r an der Pelhe 1st. ^ΓΊπ Auslösunp- 1st sor-'It sequentiell unc! ihre Peihenfolre kann. 'Juroh Vorverkabelunw f'er Verbindungen 2w.i eher den f'eßwertaurner.v'u'n bestimmt v.^rerden. nie Flnheit 92 kanr-

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außerdem von einem Program unmittelbar die Meftwertaufnehmer auswählen, deren Heftwerte nacheinander ausgelesen werden sollen, rie schlcVt dann über den Kanal 90 eine numerische Adresse, die von _t1eden "eBwertaufnehmer C mittels eines Festwertspeichers;, und eines Ionischen Verglelchers dekodiert wird, wobei die beider letztgenannten Baugruppen ein interraler Teil des Pipnalwandlers und Ferlsters D oder ein perlpheres Organ sein können.

^ror Firnnlwandler, dessen Adresse der von der Finheit ?2 V'.ornenden Adresse entspricht, schickt nun über den Fanal 91 pin '"Jrnal, das den Beginn der ^flhertrarunp bezeichnet, dann dir ^Trf^rrntion3si rnaIe und schließlich ein Sipnal ¹Trde der "οΓ?ιητ""_: p?s ff'r den Pechner p? das Zeichen ist, daft er auf nie ^ftberrrtffunr der !*i»s8unr des feinenden, durch das Programm bcp< 'ir*-t or "efvertaufnehnere füerfehen kann.

bcsoncOrs vorteilk aus

* inc ('crcrti^e Ausfilhrunrsforr if'Pt ßic ^ui}T*. i~ ^T*<"»l!r einer ^Mepwert!*ette pnrcnden, -„,,-, _v„_n "pR.»_crtp.ufnehnern besteht.

/u^r diene ^r?eipe entfallt die troße üahl von anal open Inforrt-^n^ur.cstiefen, die fi'r die bel'anrten Systc-e eriPt. Piese ^T'an?le \rerden durch rirrnlverdler er-Rotr>. uic 'ie ?.nr»lone ^rarrtel3iⁱrf- in die r.iunerischr? '"srstcllrnr rrset.rcr. unt* in unmittelbarer "^f"he der ?*ePt.*ert.?-ufnehmer

sin«5. ^anlr des Aufbaues den erfindurfsr-er.T^cn Plrnal- vs al π intcrrlerte ?chalturr itt .dies nicht nur r.'irlieh. n lrin<?t- auch erhebliche ^estenoinsparurrer.- mit sich.

Pei Instrumenten oder Geräten nit nurerischer Anzeire sind die RcTir Meinen Abmessungen und eic r.iedrip-en Kosten .!es erfir.dunp-srer.H^en Hlgnalwandlers. die f^i!.r eine rrsehe .Fcrter.twicklung und frroße Verbreitung diener Art von beritten vreser.t-

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lichen Eigenschaften. Da Messungen nicht von ihrer Natur aus Vorgänge sind, die eine sehr große Geschwindigkeit« erfordern, ist dort die 5?vrisehei\j!mwandlunp in eine stochastisch^ Darstellung besonders gut geeignet.

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Claims (1)

1. r ρ· bl.

   Minchen 21 - 6oätarf*.fl 2. Juni 1970 <

   T.i.f«ilii7<a . 6i25-lV/He. ,

   Societe Generale de Constructions Electriques et Me*caniques ι

   • ι·· ■ !

   (ALSTHOM), Paris 16, Avenue Kleber 38 (Prankreich) ^;

   Fat ent ansprüche:

   Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen halogen Signa- j les in ein numerisches und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet ₃ daß das betreffende Signal in einer Zwischenumwandlung zunächst in ein Signal mit stochastischer Darstellung umgesetzt wird.

   Elektrischer Signalwandler zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einem numerisch-stochastischen Wandler, bestehend aus einem Generator zur Erzeugung pseudozufälliger Impulsfolgen und einem logischen Vergleicher, der an seinem Eingang das umzuwandelnde numerische Signal und das von dem Pseudo-Zufallsfolgen-Generator erzeugte Signal erhält und am Ausgang ein Vergleichssignal ausgibt, das die stochastische Darstellung des numerischen Signales ist,dadurch gekennzeichnet, daß der Pseudo-Zufallsfolgen-Generator (21) eine Schaltung enthält, die das Auftreten des Binärwertes 0 In allen, ausgenommen in einer bestimmten der Stufen (25) des Schieberegisters des Zufallsfolgen-Generators (21) feststellt und die dann zwangsweise den Wert 0 in die auf diese bestimmte Stufe folgende Stufe einführt und anschließend dort den Binärwert 1 einführt, wonach die Schaltung zu arbeiten aufhört(Fig. ^).

   — 2 · —

   ⁰⁰⁹⁸L⁰Z¹⁸Il

   BADORiGiNAL

   Signalwandler zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch l,mit einem numerisch-stoehastischen Wandler, bestehend aus einem Generator zur Erzeugung pseudbzuffiliiger Impulsfolgen und einem logischen Vergleichen der an seinen Flnpang das umzuwandelnde numerische Signal und das von dem Pseudo-Zufallsfolgen-Qeneratop erzeugte Signal erhalt und am Ausgang ein Vergleichasignal ausgibt, das die stoehaatlsehe Darstellung des numerischen Signales ist, -dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der Digitalaus^änge des Pseudo-Zufallsfolgen-Qenerators mit dem logischen Vergleicher verbunden ist.

   Signalwandler zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einem munerisch-stoehastIschen Wandler, bestehend aus einem Rauschgenerator und einem logischen Vergleicher, der an seinem Eingang das umzuwandelnde Pipnal und das von dem Rauschgenerator erzeugte Signal erhalt und am Ausgang ein Vergleichssignal ausgibt, das die stochastische Darstellung des numerischen Sirmales ist, dadurch rekennzeichnet _s daß der Rauschgenerator (21) aus einen reinen Binärzähler besteht, bei dem die Taktimpulse von Seiten der Ziffern mit hoher Bewertung bzvr. großem Oev/icht kommen (Fig. 6).

   Signalwandler aur Durchführung des "erfahrene p-emäß Ansj· r>uc^v 1, mit einen einen Rauschgenerator enthaltenden numerisch stochastischen ^TTandler, dadurch gekennzeichnet, daß der numerisch-stochastische "andler außerdem von eineir. so~en?.nr.-ten Summierhalbflied (19) gebildet vird₃das air Einranp; das umzuvrandelnde numerische Signal und das von dem Rauschgenerator erzeugte Signal erhält und ar. Ausgang ein Signal in stochastischer Darstellung abgibt.

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   C. ripnalvandler nach .Anspruch 4,. angepaßt an ein umzuwandelndes nunerischoß Fipnal, das in einem Komplementkode/2 rennnnten "ode vorlieft, mit einem Vorzeichenbit des BinPrwertcr ⁿ. wenn die Fahl positiv ist und gleich I₃ venn dio r*a'-3 nerativ ist, dadurch rekennzeichnet, daß vor dem runr.iorhaIbrlled (19) ein Inverter (43) ftlr das Vorzeichenhit des umzuwandelnden flipnales vorresehen ist (Pip. 9).

   7. rir-r.nlV7ar.d3er nach Anspruch '', anpepaßt an ein umzuwandelnden numerisches Si/rnpl, das in einen Absolutwertkode frenrnnten "ede vorliegt, nit einem Vorzeichenbit des Rinflrv'ortor, ^. wenn die Zahl prfositlv ist und gleich 1, wenn (Mo Pah] r.rrntlv ist, dadurch pelrennzeichnet, daß das Eumrierhnlrrlicd (19) ein Bit, das stets gleich 1 ist, erhält, und daß nein Aueranr wit einem logischen rXKLUSIV-ODER-Olied ('·'■) verbunden ist, das an ^Γ1η<·ηηρ das Voreeichenbit erhalt und ρπ ίιίΓΜΓΓ ein Plrnal in stochastischer Darstellung ab-PiM. (^ri«~. ίο). .

   f. rirralvinrdier noch. /rTrueh '', nnrenaft an ein unzuvandelndrs mircr^r-chon Fipn?!, r>as ir. einem Komplementkode zu 1 rcnrnnt rr "eic verliert, mit ein*?-. VorceicJienMt des Binfirvertes ". "enn die 7ahl positiv Int und gleich 1, renn die Tahl nerptiv ist. dadurch rekennseichnet.. daß vor den Pumnierhal?Tl1ed (19) einerseits ein Furmierp.lied (H5) vorpeeohen ist, das ar. Finrtanr das unruiiandelnde Fiftnal und das VorireiehenMt erhfilt: und deron Pt'rnne bildet i*nd daF andererseits ein logischer Invert r>r (^l['-^:) vorhanden ist. der das VorseichenM.t erhfilt und sein Aur-^PTirssinrnal an dan Pumrier-' (19) abßibt.

   9. riftnalwandler nach Anspruch '!, anrtcpaPt an ein tunzuvrandelndes numerisches Sipnal, das in einen Korple^.ertkode zu ¹ benannten'

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   Kode vorliegt j mit einem Voygelehenblt des Binärwertes O_s wenn die Zahl positiv ist und gleich I₉ wenn die Zahl negativ ist₃ dadurch gekennzeichnet,, daß einerseits vor dem Summierglied (19) auf jeder Bit-Eingang's leitung mit Ausnahme des durch ein Bit mit dem Wert 1 ersetzten Vorzeiehenbits des umzuwandelnden Signales ein EXKLÜSIV-ODER-Glied (¹I?) vorgesehen ist, das an seigern weiteren Eingang das Vorzei-.ehenbit dieses Signales erhält und das andererseits am Aus=? ganf des Summierhalbgliedes (19) ein logisches EXKLUSIV-ODEP-Glied (kk) Hegt«, das am Eingang ebenfalls das Vorzeichenbit erhÄlt und ein Signal in stochastischer Darstellung abgibt (Pig» 12).

   .Signalwandler zur DuFehführang des Verfahrens gemäß Anspruch 1, angepaßt· an ein umzuwandelndes numerisches Signal im BCD-Kode_s dadurch gekennzeichnet, daß ein Rauschgenerator (21) vorgesehen ist_s den ©in binPrkodierter Desimalzähler bildets in dem die Taktimpuls^ von der Dekade mit der höchsten Bewertung bzw» dem größten" Gewicht herkommen (Fig»

   11.Signalwandler ^ur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einem Analogsignal als Eingangssignal, der ein numerisches Signal als Ausgangssifnal abgibt_s dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer numerifich-stochastischen Umsetzerschaltung (19_s 21) besteht, die 'Jas Ausgangssignal erhritj sovrie aus einer stoehastisch-sralogen Umset ζ er sch a I-tunr (23) 3 «Sie das Ausgangssignal der vorhergehenden Schaltuhr erhf.lt, '-reiter eine Anordnung aus einem Pummierglied (?1) und einer. Schwellwert-Analogvergloilcher (5^) vorgesehen 1st, die gun einen das Eingangsf?1 mal und sum andern dp.s von der nure-risch-stochastisch-analo^en ^TTmsetzerschaltunr (10₃ 21 j 23) abgegebene Signal erhalten und daß sehllePlieh ein Vorw^fcs/PtlckwÄrts-^t'hler (^r7) äas von dem

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   Analogvergleicher (5¹O gelieferte Signal erhält und sein Inhalt das Ausgangssignal bildet (Fig. 15).

   12. Signalwandler zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einem Analogsignal als Eingangssignal, der ein numerisches Signal als Ausgangeslgnal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer numerisch-stochastischen Umsetzerschaltung (19 _s 21) besteht, die das Ausgangssignal erholt, sowie aus einer stochastisch-analogen Umsetzerschaltung (23), die das Ausgangssignal der vorhergehenden Schaltung erhfilt, weiter eine Anordnung aus einem Summierglied (51) und einem Schwellwert-Analogvergleicher (5¹O vorgesehen ist, die zum einen das Eingangssignal und zum anderen das von der numerisch-stochastisch-analogen Umsetzerschaltung (19, 21, 23) abgegebene Signal erhalten und daß schließlich eine logische Bewertungsschaltung das von dem Analogvergleicher (5¹I) gelieferte Signal erhält und ihr Inhalt das Ausgangssignal bildet.

   13· Signalwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Korrekturschaltung (72) enthält, die das von dem Summierglied abgegebene Signal erhält und an den Vorwärts/ Rückwärts-Zähler (57) ein Signal abgibt, das die Integrationsverstärkung dieses Vorwärts/Rückwärts-Zählers vermindert, wenn das von dem Summierglied abgegebene Signal dem Betrag nach abnimmt(Fig. 19)·

   I¹I. Signalwandler nach Anspruch 13, bei dem der Vorwärts /Rückwärts Zähler einen aus einem Relaxations- oder Kippschwingungsoszillator gebildeten Taktgeber enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die RC-Schaltung dieses Oszillators einen MOS-Transistor (79 enthält, an dessen Gate-Anschluß (G) der Betrag

   0 0 ύ ) S ΰ / 1 8 7 S

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   des von dem Summierglied abgegebenen Signales anliegt (Fig. 20).

   15. Signalwandler nach Anspruch H₃ dadurch gekennzeichnet, daß er vor dem Analogvergleich» ©!abschaltung enthält, deren übertragungsfunktion die Form FCs) = 1 +As hat_s worin s die Laplace-¥eränderlich@ und h ein Koeffizient ist»

   16. Signalwandler nach Anspraeh^l^s bei dem der Analogvergleieher einen Eingangsverstärker enthalt, zwischen dessen Eingang und Masse insbesondere sui? Konstanthaltung der Verstärkung ein Widerstand lie^t_sdadurch gekennzeichnet_s daß ein Kondensator (84) paraUFzu diesem Widerstand C61} liegt (Fig. 23).

   17» Signalwandler stir Durefofültomg des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem eine stoehastiseh-analoge Ur.setzersche.ltunp aus einem Banclpaßfilter¹ besteht, dadurch gekennzeic'rr.et, daß or eine Sehaltung (25) zur Anpassung der Filterzeitkonstante in Abhängigkeit von dem Mittelwert des Pilterausganp-ssirnales aufweist (Flg. 2k).

   18. Signalwandler nach Anspruch 17₃ dac^ rch gekennzeichnet. ^A.^ ein Widerstand des Bar.dpaßfilters ein MOS-Transistor C'⁰.-) ist (Fig. 26).

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