DE2216349B2

DE2216349B2 - Analog-Digital-Umsetzer für bipolare Eingangssignale

Info

Publication number: DE2216349B2
Application number: DE2216349A
Authority: DE
Inventors: Joseph John Delray Beach Belet; Jack Leo Boca Raton Quanstrom
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-04-06
Filing date: 1972-04-05
Publication date: 1974-03-07
Also published as: CA974648A; JPS5118301B1; BR7202012D0; SE392011B; GB1352276A; NL7204293A; FR2131996B1; IT947669B; DE2216349A1; DK132358C; DE2216349C3; FR2131996A1; DK132358B; US3737893A; BE780803A

Description

Die Erfindung betrifft einen A/D-Umsetzer für bipolare Eingangssignale unter Verwendung eines unipolar arbeitenden A/D-Umsetzers mit einer eingangsseitigen Schaltung zur Feststellung und gegebenenfalls Änderung der Polarität der Eingangssignale derart, daß dem eigentlichen unipolaren Umsetzer stets Signale derselben Polarität zugeführt werden, welche Signale auf einen Integrator geleitet, mit mindestens einer Bezugsspannung verglichen werden und in einer während der Vergleichszeit abgeleiteten in einem digitalen Register bzw. Zähler festgehaltenen Binärfolge nach Betrag und Vorzeichen dargestellt werden.

Viele Zustandsgrößen von elektrisch auszuwertenden Vorgängen fallen originär in Form von analogen Signalen an, die zum Zweck einer geeigneten Weiterbehandlung und Auswertung in den häufig dafür vorgesehenen digitalen Schaltungsanordnungen in entsprechende digitale Signale umgesetzt werden müssen Dazu bedient "man sich allgemein sogenannter A/D-Umsetzer, die bereits in vielfältiger Form bekanntgeworden sind. Es gibt solche A/D-Umsetzer für die Umsetzung unipolarer Signale, d. h. solcher analoge! Signale, die während der Zeit ihres Auftretens stet; ein und dieselbe Polarität aufweisen. Die Erfindunj betrifft demgegenüber das Problem der Umsetzunj bipolarer analoger Eingangssignale.

Zur Verarbeitung von bipolaren Eingangssignal^

ft 1 274 179 beschriebenen Stand der Technik). Dic bisher bekanntgewordenen A/D-Umsetzer für bipolare Analogsignale weisen jedoch spezifische Nachteile auf. So besteht bei A/D-Umsetzern der oben bezeichneten Art das Problem, daß die Betriebszuverlässigkeit in bezug auf mögliche fehlerhafte Polaritätsentscheidungen, insbesondere bei kleinen il _um den NuUpunktbeeih h

iind A/D-Umseuer der eingangs genannten Art be- gangsseitigen Zählregister die dieser Bezugsspannung reits bekannt (vgl. den in der deutschen Auslege- digital entsprechende Zählereinstellung bei der Fest-,chrift 1 274 179 beschriebenen Stand der Technik). stellung der Größe der umzusetzenden analogen binbih bekanntgewordenen A/DUmsetze fü gangsspannung, vorzugsweise durch Subtraktion um

die digitale Entsprechung der Bezugsspannung, kompensiert wird. Gerade diese Maßnahme ist geeignet, die sogenannten Nullpunktsfehler auszuschalten. Selbst wenn die Polaritätsabfühlschaltung, was nicht

Polaritätsentscheidungen, insbesondere bei kleinen auszuschließen ist, bei Signalen um den Nullpunkt Eingangssignal _um den NuUpunktbereich herum. io herum eine fehlerhafte Polaritätsentscheidung ergibt, herabsetzt ist, d. h., daß hierbei keine Möglichkeit ist durch die Erfindung sichergestellt, daß durch die besteht, eine anfänglich falsch getroffene Polaritäts- Überlaufsignale in den entsprechend der Bezugsspanentscheidung später zu berücksichtigen bzw. zu kor- nung voreingestellten Zählern diese anfänglich fehlerngjeren. Andere A/D-Umsetzer für bipolare Ein- haft festgestellte Polarität korrigiert wird. In vorteilsangssienaie benutzen mehrere Bezugsspannungen 15 hafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, enteegenaesetzter Polarität, um eingangsseitig durch daß das Ausgangssignal der eingangssemgen PoLan-Vereleich die aktuelle Polarität des Eingansssignals tätsabfühleinrichtung zumindest bis zum Abschluß festzustellen. Dabei muß man jedoch den Nachteil in des unmittelbar anschließenden Umsetzyorganges geKauf nehmen, daß jede Bezugsspannun_&squelle un- speichert ist. Damit ergibt sich die Möglichkeit, bei abhängig _von den anderen Drifterscheinungen unter- ao dem anfänglich sowohl nach Betrag als auch Vorworfe" ist die das Umsetz ergebnis direkt im Sinne zeichen unbekannten Eingangssignal die anfängliche einer fehlerhaften Umsetzung beeinflussen können. Polaritätsabfühlung dann für den gesaraten anscnlie-7 ätzlich _zu dem Erfordernis weiterer Bezugüpan- Senden Umsetzvorgang zu verwerten, wenn anüerernunesquellen weisen diese Umsetzer ausgesprochen seits bekannt ist, daß es sich um ein Signal mit zwar hteili°e _>)tote Zonen« bzw. Unsicherheitsbereiche _a5 anfänglich unbekannter aber dann standig gleicnweiin ihrem'jeweiligen Nullpunktsbereich auf. Weiterhin bender positiver oder negativer ^Pola"^a* "V"¹^ stellt s'ch das Problem, daß lediglich bezüglich ihre* Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der brimming Vor7'i'-liens unterschiedliche, jedoch betragsmäßie sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet, deiche" Eingangssignale infolge der durch Verwen- Die Erfindung wird im folgenden an «and von

dune mehrerer Bezugsspannungsquellen bedingten 30 Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme aer z.eiui-Tlnsvnir.ctrie der Umsetzschaltune in ihrer dieitalen nungen näher erläutert. Es zeigt Form'auch betragsmäßig ungleiche Ausgangswerte Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemaü

zugeordnet bekommen. Will man diese Fehlermög- verbesserten A/D-Umsetzers . ·

Schkeilcn in befriedigender Weise reduzieren, ist Fig. 2 die Anwendung der Erfindung au einen

dazu regelmäßig ein hoher schaltungsmäßiger Auf- 35 mittels dreier Rampen arbeitenden A/ υ-umsetzer wand forderlich. Als Beispiel dafU? sei der in der F i g. 3 den Verlauf des Ausgangssigna s am Inte-

USA -Patentschrift 3 493 958 vorgeschlagene A/D- grator des A/D-Umsetzers in Abhängigkeit von der ι Wi-,er aenannt Zeit für verschiedene Eingangssignale VX und

^ner wurde für die Umsetzung bipolarer Ein- Fig.4 die Anwendung der Erfindung auf einen

gangssignale bereits vorgeschlagen, in die Umsetz- 4° mittels sukzessiver Approximation arbeitenden n/uschaltune eine so hohe Nullpunkt-Verlagerungsspan- Umsetzer. , _c^;„j_1ino ;„,

nun« (offset voltage) einzuführen, daß die an sich bi- Im Blockschaltbild der Fig. 1 ist die Erfindung im

Α Eingangssignale für ihre Verarbeitung im Zusammenhang mit einem mittels mehrerer Rampen-

fjmsSzcr als^gunipolare Signale, d. h. als Signale mit spannungen ^^^^^Ζή^ί

steis derselben Polarität auftreten. Das aber erfor- « zer dargestellt. Das zu erfassende;

de t zwangläufig die schaltungsmäßige Auslegung des signal VX am Eingang 10 kann ^^

Umsetzers für etnen relativ großen Spannungsbereich, bestimmten Abfuhlelementen, die über eine

JTs sich insbesondere bei A; D-Umsetzern nach dem schaltung (Multiplexor) ausgewählt worden srnd

Meg ationsprinzip als störend erweist. Schließlich stammen. Natürlich kann es ^«^ΧίΞ™

st der USA.-Patentschrift 3 234 544 ein A/D-Um- 50 gangssignal eines einzelnen

etzer für bipolare Eingangssignale zu entrahmen, bei Wie bereits bet (^^^J

sich iedoch die Vorzeicheninformation in korn- penspannungen bekannt ist, leitet

temperen _se-

gcoffcne Pol.ritaBenWhe.dung zu temperen _se- ^J]^^"^, sondern von der Be-

^STm»B der Erfindung ist vorgesehen, dal, die Be- »Β«-5»*"ίίΊ5Α A zugspannung am Integrator des A/D-Umsetzers so i_s bezjgsspMnnng a,Ul den ^lril^^r?^lor iähl it dß der mögliche Fehlerspannungsberach w,rd D.ese ^gS ⁸ _F7^' °,™/4

VX in der -^«^'J⁶¹J" _am Ausgang des

Polarität aut, so dais me »pannu g

ugspannung am Integrator des A/DUmsetzers giähll ist, daß der mögliche Fehlerspannungsberach Scr Polarilätsabfühlschaltune dadurch überdeckt ,st und daß in dem im A/D-Umsetzer vorgesehenen aus-

Integrators 13 in Richtung auf ihren ursprünglichen geber 15 in einen ersten Überlaufzustand inkremen-Eingangspegel abklingt. tiert werden, bevor solche eine positive Pobrität anWenn die Ausgangsspannung am Integrator 13 den zeigende Zählimpulse gespeichert werden. Das beanfänglichen Schwellwertpegel erreicht hat, wird deutet, daß eine fälschliche Polaritätsangabe durch diese Tatsache von der Vergleichsschaltung 17 an 5 die Vergleichseinrichtung 18 automatisch durch die die Steuerschaltung 11 gemeldet. Die Steuerschaltung Tatsache korrigiert wird, daß im Zähler 15 eine 11 leitet dazu während der Zeit, in der über die Be- kleine negative Zahl aus dem Ausbleiben eines Überzugsspannung integriert wird, vom Taktgeber 14 laufs resultiert und somit der Zählerinhalt in Verstammende Taktimpulse in den Zähler 15, und auf bindung mit der ursprünglichen Polaritätsanzeige so-Grund der abschließenden Zählerstellung erscheint io wohl die Polarität als auch die Größe der Eingangsam Ausgang der Vergleichsschaltung 17 ein in seinem spannung VX ergibt.

Wert der Eingangsspannung VX entsprechendes digi- Nachdem ein Umsetzzyklus beendet ist, enthält der

tales Signal. Ein lediglich ein einziges Bezugspotential Zähler 15 in Abhängigkeit von der Polaritätsanzeige von der Bezugsspannungsquelle 16 benutzender A/D- durch die Vergleichsschaltung 18 die entsprechende Umsetzer soll als mittels zweier Rampen arbeitender 15 digitale Darstellung, sei sie positiv oder negativ, in integrierender A/D-Umsetzer bezeichnet weiden. entweder Zweier- oder Einerkomplementform. Im Werden von der Bezugsspannungsquelle 16 zwei Be- letzteren Fall wird der Inhalt des Zählers 15 voi dem zugsspannungssignale zur aufeinanderfolgenden In- Auslesen durch eine über die gespeicherte Polaritätstegration herangezogen, soll von einem mittels dreier anzeige gesteuerte Logik komplementiert. Rampen arbeitenden A/D-Umsetzer gesprochen wer- 20 Die Darstellung in Fig. 2 stellt die vorliegende den, der im folgenden an Hand der F i g. 3 beschrie- Erfindung im Zusammenhang mit einem mittels dreier ben wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch glei- Rampen arbeitenden integrierenden A/D-Umsetzer chermaßen auf alle solche Schaltungen anwendbar. für bipolare Eingangssignale dar. Die Schaltung ent-Wie bereits oben erwähnt wurde, kann das analoge hält die Vergleichseinrichtung 28, welche die jewei-Eingangssignal VX entweder einen positiven, nega- 25 lige Polarität des analogen Eingangssignals VX am tiven oder auch Null-Pegel aufweisen. Da zum Be- Anschluß 20 abfühlt und bestimmt. Der mit einem trieb des Integrators 13 die von 16 gelieferte Be- Verstärkungsfaktor 1 ausgelegte Inverter 29 kehrt das zugsspannung eine gegenüber der Eingangsspannung Eingangssignal entsprechend dem in der Beschrei- VX entgegengesetzte Polarität aufweisen muß, sind bung zu F i g. 1 dargestellten Inverter 19 um. Die Schaltungsmittel zur Anpassung der bipolaren Signale 30 Schalter 22 A und 22 B für das analoge Eingangssignal VX erforderlich. Zu diesem Zweck fühlt die Ver- werden von den Ausgangssignalen 31 bzw. 32 der gleichsschaltungl8 bereits vor der Einleitung eines Steuerschaltung 21 gesteuert. Während des Abfühl-Umsetzzyklus die Polarität von VX ab und leitet ein Intervalls wird über die Steuerschaltung 21 entweder diese Polaritätsinformation enthaltendes Signal an die 22 A geschlossen, um VX direkt auf den Integrator Steuerschaltung 11 weiter. In der Steuerschaltung 11 35 23 zu koppeln, oder der Schalter 22 B wird geschloswird diese Information, z. B. durch Setzen eines zu- sen, um VX in seiner invertierten Form auf den Integehörigen Verriegelungskreises, gespeichert und ge- grator 23 zu koppeln, und zwar je nach der durch das gebenenfalls die Schaltermatrix 12 so beeinflußt, daß Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 28 angestatt des direkten Anschlusses von VX an den Inte- zeigten Polarität. An den Anschluß 24 des Integragrator 13 während der ersten Abfühlzeitperiode der 40 tors 23 ist ferner eine Spannung + F 0 angelegt, deren Ausgang eines Inverters 19 mit einer Einheitsverstär- Wert größer als die größte Fehlertoleranz der Verkung durchverbunden wird. Auf diese Weise liegt gleichsschaltung 28. Die Steuerschaltung 21 umfaßt am Eingang des Integrators 13 stets ein umzusetzen- weiterhin Mittel, um den Zähler 25 (in der Figur als des Signal gleicher Polarität an, und zwar unabhän- Zähler 1 und Zähler 2 aufgespalten dargestellt) aui gig von der speziellen gerade vorliegenden Polarität 45 einen negativen Wert voreinzustellen, wobei diese von VX. Voreinstellung in Zweierkomplementform entspre-

Für einen Verstärkerfaktor 1 ausgelegte Verstär- chend der Größe der Spannung FO vorgenommen ist ker bzw. Inverter 19 gehören zum Stand der Tech- Die Exklusiv-NOR-Glieder 35 und 36 komplemen· nik. Schwierigkeiten ergeben sich dagegen im Zu- tieren das Ausgangssignal des Zählers 25, wenn du sammenhang mit Vergleichsschaltungen, z. B. 18, bei 50 Vergleichsschaltung 28 eine Polaritätsumkehr eine: denen Drifterscheinungen, tote Zonen usw. zu einem negativen Eingangsspannung VX anzeigt. Als Erwei Ausgangssignal führen können, das eine gegenüber terung des Zählers 25 sind zwei Flipflopschaltungei der tatsächlichen Polarität am Anschluß 10 entge- ST und UT vorgesehen, die über den Decoder 38 zu gengesetzte Polarität aufweist Eine solche Situation Anzeige des Vorzeichens (S) und des Überlaufs (JJ entsteht lediglich für einen relativ kleinen Signal- 55 dienen.

bereich um den Null-Pegel herum. Die vorliegende Bekanntermaßen erzeugen mit mehreren Rampei

Erfindung löst dieses Problem dadurch, daß für den arbeitende A/D-Umsetzer in einen oder mehrere] Integrator 13 ein Differentialeingang vorgesehen ist Zählern Ausgangssignale, die proportional zu den and VX bzw. der Inverterausgang 19 in der Schalt- analogen Eingangssignal sind. Der Ausgang des mi matrix 12 mit einem konstanten Bezugsspannungs- 60 drei Rampen arbeitenden Umsetzers wird an den bei pegel kombiniert wird, der die in der als Polaritäts- den Zählern 1 und 2 erhalten, die kombiniert al abfühlschaltung wirkende Vergleichsschaltung 18 einzelnes Register am Ende der Umsetzung ausgele unter Umständen auftretende tote Zone überschreitet sen werden.

Zur Kompensation wird für die einen Eingang des Zu Beginn des Umsetzungsvorgangs werden di

Integrators 13 bildende Bezugsspannung der Zähler 65 Zähler 1 und 2 auf ein Bitmuster voreingestellt da i5 in der Weise eingestellt, daß auf jeden Fall vor in Zweierkomplementform der Größe der Integratoi Beginn des eigentlichen Umsetzzyklus ein negativer spannung FO entspricht, die nach dem Teilfaktc Zählwert vorliegt. Der Zähler 15 muß also vom Takt- bzw. der Bereichsabstufung des A/D-Umsetzers b(

Tabelle I

des Zählers 2 die

1 0 0

0
1

0 0 0

0 0 1

negativ

negativer

Überlauf

positiv

positiver

Überlauf

negativ

sitionen niederer

Polarität des Aus der Tabelle I ergeben sich die logischen Bestimmungsgleichungen für U und S wie folgt: 5 = 3Ö · ST + 30 · ST.
U = ST ■ UT

Solange Sättigungseinflüsse der A/D-Umsetzerele-, mente, z. B. des Integrators 23, zumindest geringfügig unterhalb dem Zweifachen der vollen Bereichsspannung (full scale voltage VFS) bleiben, kann ein dritter Überlauf des Zählers 2 nicht eintreten. Da der zweite Überlauf anzeigt, daß der A/D-Umsetzer sei-

der Spannung FO.

Ä*^—^ De, Zustand

dieses Flipflops wird während des Ui

zweite uoenaui <mt.v.g,i, "«~ — ^ . , . ,

« nen Bereich überschritten hat, und die^resultierende "nfU"üon fehlerhaft ist, müssen lediglich Mittel zum Speichern eines solchen zweiten Überlaufereigntsses und zur Anzeige eines Fehlers vorgesehen werden. Folgedessen kann ein dritter Überlauf, selbst

„._e _>. einen negativen --•n-ang μ ^- — β- Umsetzzyklus anzeigt,

schaltung 28 das d* roiau«»"—. _{eines nega}tidc Flipflop setzt, wahrend die Anzeige _π_

ven Eingangssignals es zurücksetzt bzw in zustand bringt. Der Spannungspeg darf de ^ repräsentiert den logischen Z^us*^nQ _{d Erken}. ₊₀ ritätstlipflops derart, daß erne.» 1 <J■ ^ nung eines'positiven EpgffiVaWist zu be-Vergleichseinrichtung ²\^eSi_e ^h _nVerschiebungen in achten, daß infolge von Schwellen^ve ■ _t _be.

Vergleichsemrichtung 28 entspricht. Dabei is aus em 1-Zustand angezeigt werden ka™^^u _Feh. der Eingang tatsächlich.ngvj -E- ^ _ro

ler wird automatisch im RJ^ _kornpensiert. beschriebenen bipolaren "^^„„ngswstand auf

in Abhängigkeit von demSpanun ^ _fa_ ^

der Leitung 30 kann das Eingangssig^ ^^ verier 29 umgekehrt werden Das w _Scha]för geschehen, daß auf der Leitung 32 ein ^ ^ 22 β schließendes Signal von der Meue erzeugt würde. Es wird angjM^J²^ ^_{6n Sp}ar, dies dann auftritt wenn die> uaj f_atsächiiche. Einnungszustand 1 aufweist, so dau ac ^ ._rfolge

gang am Summierknoten des '°«V_rf Weiterhin ist FX als stets negativ angenommen_£ ^Wir _{hend der}

die Flanke des Integratorausganges en μ ^

Integration von FX oder dessen ^^er^_{enden ist} stets positiv oder ansteigend^ im _di/_Ergebnisse eine Wahrheitstafel angegeben, we. _dikatorbitstellen jeder möglichen Kombination dei w _und

ST und SU sowie der ^fX^^Ö&cn das die Eingangspolantat umfaß^die A 8 B^ _Funktion VorzeichenbitS sowie dasÜberiauiD _Hipflopzu. des Leistungszustandes 30 sowie stände ST und l/Γ angibt.

ert:

VX = 0. In diesem Fall ist das effektive Eingangssignal am Integrator 23 gleich -FO, und der Umsetzvorgang dieses Wertes löscht exakt die entsprechend voreingestellte negative Zahl im Zähler 25. Folgedessen ist der Endwert im Zähler bei Abschluß des Umsetzvorganges 0, was der Größe von VX entspricht. 2. VX ist infolge eines Fehlers in der Vergleichsschaltung 28 geringfügig positiv. Dann ist die effektive Eingangsspannung am Integrator 23 geringer als F 0, so daß der Endwert des Zählers eine negative Zahl darstellt, die bezüglich ihrer Größe gleich dem Bereichswert der positiiven Eingangsspannung VX ist.

3. VX ist negativ. Die effektive Eingangsspannung ibt dann größer als FO. Beim Umsetzvorganj wird die anfänglich voreingestellte negative Zah gelöscht und im Zähler eine endgültige positive Zahl erhalten, die in ihrer Größe dem Bereichs wert des negativen Eingangssignals entspricht.

4. VX ist negativ und hat einen Überlauf zur Folge

Unter diesen Umständen erfolgt tatsächlich eil

zweimaliger Überlauf des Zählers. Der erst

Überlauf ergibt sich als Resultat des Auslc

schens der voreingestellten negativen Zahl, un

der zweite Überlauf ergibt sich als Resultat de

Tatsache, daß das Eingangssignal die Zählei

kapazität überschreitet. In dem zweiten Fall we:

den die temporären Vorzeichen- und Überlau

bits ST und UT decodiert, um ein Uberiau

signal vorzusehen. Dieser Fall ist in der obc

angegebenen Wahrheitstafel (Tabelle I in d

zweiten Zeile) dargestellt.

409 510/3

^ R 6 5

ίο

Am Ende des Umsetzvorganges wird jede Bitstelle des Zählers 25 über die Exklusiv-NOR-Glieder 35 und 36 ausgelesen, die den Zählerwert komplementieren, falls der Spannungszustand auf der Leitung 30 gleich 0 ist. Auf diese Weise wird die im Zähler in Zweierkomplementform als Ergebnis eines positiven Eingangssignals erscheinende Zahl, wie oben unter 2. beschrieben, komplementiert und als positive Zahl ausgelesen, während die als Ergebnis einer negativen Zahl, wie oben unter 3. beschrieben, im Zähler erscheinende positive Zahl in Zweierkomplementform als negative Zahl ausgelesen wird. Die Kompletnentierung durch die Exklusiv-NOR-Glieder erzeugt, in Einer-Komplementfoim die

tätsfeststellung fehlerhaft war. Wie bereits im Zusammenhang mit der obigen Tabelle I gesagt worden ist, wird durch die Decodierung der 5T- und UT-Anzeigebitstellen zusammen mit der Feststellung des Zustandes auf der Leitung 30 in allen Fällen die korrekte Vorzeichen- und Überlaufanzeige festgelegt. Die Arbeitsweise eines mit drei Rampen arbeitenden A/D-Umsetzers gemäß F i g. 2 wird noch einmal wie folgt zusammengesetzt:

ίο Zu Anfang liegt das analoge Eingangssignal VX am Anschluß 20 an und wird je nach dem Vergleichsergebnis der Vergleichsschaltung 28 entweder direkt über den durch die Steuerschaltung 21 und Steuerleitung 31 geschlossenenen Schalter 22 A oder in in-

änderter Form wiedergegeben wird. Die folgende Gleichung definiert den Zustand jeder Ausgangsbitstelle Z der Exklusiv-NOR-Logik in Abhängigkeit von der entsprechenden Zählerausgangsbitstelle Q und dem Zustand auf der Leitung 30.

Z = 3ö-2 + 30ß

Die folgende Tabelle erläutert diese Beziehung in Form einer zugehörigen Wahrheitstafel.

Zählerstellung. Der Unterschied zwischen der Einer- 15 vertierter Form über den geschlossenen Schalter 222? und Zweierkomplementform stellt lediglich einen am Integrator 23 gekoppelt. Zum Abfühlen dieses durch Verschiebung verursachten Einzelbitfehler dar, Eingangssignals wird von der Steuerschaltung 21 der in konventioneller Weise durch entsprechende Ju- eine bestimmte Zeitperiode T festgelegt. Dazu kann stierung des A/D-Umsetzers und des Inverters aus- beispielsweise der Zähler 2 direkt von einem Taktgeglichen werden kann. Die Exklusiv-NOR-Glieder 20 geber fortgeschaltet werden und beim Auf treten 35 und 36 tragen der Tatsache Rechnung, daß die eines Überlaufs der Schalter 22A oder 22/? wieder Leitung 30 Nullzustand ist und invertieren jede Bit- geöffnet werden. Dadurch ist das Ende der \bfühlstelle des Zählers 25 vor dem Auslesen im Gegen- periode T in Fig. 3 festgelegt. In Fig. 3 ist in Absatz zu dem Fall, daß auf der Leitung 30 der 1-Zu- hängigkeit von der Zeit der Ausgang des Integrators stand herrscht, wo der tatsächliche Inhalt in unver- 2s 23 für zwei verschiedene Fälle dargestellt, einmal

für VX = 0 und zum anderen für VX gleich der vollen positiven oder negativen Bereichsspannung VFS. Nach Ablauf der Abfühlzeit T wird von der Steuerschaltung über die Steuerleitung 33 der Schalter 26 A geschlossen, so daß die hohe Bezugsspannung VR 2 an den Eingang des Integrators 23 angelegt wird. Diese Bezugsspannung weist gegenüber der in der Abfühlzeit am Integrator 23 anliegenden Spannung die entgegengesetzte Polarität auf. Folgedessen nimmt die Ausgangsspannung linear mit einer relativ steilen Flanke ab, wie in F i g. 3 zu ersehen ist. Gleichzeitig mit der Betätigung des Schalters 26 A wird über die Steuerschaltung 21 die negative Voreinstellung des Zählers 25 und der Bitstellen ST und UT zur Berücksichtigung der Vergleichsspannung FO vorgenommen. Schließlich sinkt die Ausgangsspannung £0 des Integrators 23 unter den Schwellenwert VT. Von diesem Zeitpunkt an wird über die Steuerschaltung wiederum der Zähler 2 mit Taktimpulsen fortgeschaltet, und zwar in dei gleichen Weise wie bei der vorherigen Festlegung dei

Wenn die Vergleichsschaltung 28 zu Anfang einen Abfühlzeit T, und der Zähler 25 wird in Abhängigpositiven Eingang mit der Folge einer binären 1 auf keit von der Größe des Eingangssignals VX gege· der Leitung 30 anzeigt, wird die Eingangsspannung benenfalls ein Überlaufsignal erzeugen. Der Zähler 1 vor ihrer Integration über die Steuerschaltung 21, 50 war am Ende der Abfühlzeit T, die er durch seil ein entsprechendes Steuersignal auf der Leitung 32 Überlaufsignal festlegte, gelöscht und voreingestellt und damit durch Schließung des Schalters 22 B in- Er wird nun durch die Taktimpulse weitergeschaltet vertiert. Für den Fall, daß die Werte invertiert die während des Anliegens der Bezugsspannung VR ί werden, ergibt sich die gleiche Fallunterscheidung am Integrator 23 auftreten. Diese Fortschaltezei wie oben. In diesem Fall stellen jedoch die endgülti- 55 ist in Abhängigkeit von dem ursprünglichen Wert de gen Zählerwerte die wahre Entsprechung der Ein- Eingangsspannung VX unterschiedlich. Aus der obi gangsspannung VX dar und werden demzufolge vor
ihrem Auslesen nicht mehr komplementiert. Ist beispielsweise die Polaritätsanzeige fehlerhaft, wird das
kleine negative Eingangssignal invertiert und erscheint am Umsetzer als positives Eingangssignal,
wie in der zweiten Zeile der oben angegebenen Tabelle dargestellt, wenn nämlich der Zustand auf der

Tabelle II	30	Q	Z
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

g,

Leitung 30 Null ist. Dadurch erscheint im Zähler iklf lh di

gen Tabelle I ist ersichtlich, daß der erste Überlau des Zählers 25 die Flip-flops UT und ST zurück stellt und als Polaritätshinweis gewertet wird, wäh öo iend ein zweiter Überlauf, durch den das Flipflo] UT erneut gesetzt wird, anzeigt, daß VX den züge lassenen Spannungsbereich des A /D-Umsetzers über schreitet.
Nachdem das Erreichen der durch ^T defl

das Ergebnis in Zweierkomplementform, welches di- 65 nierten Schwelle von der Vergleichsschaltung 4'

rekt als korrekte Darstellung des negativen Eingangs- am Ausgang festgestellt worden ist, öffnet di

wertes ausgelesen wird, selbst wenn die von der Ver- Steuerschaltung 21 über ihren Ausgang 34 de:

gleichsschaltung zu Anfang vorgenommene Polari- Schalter 26/1 und schließt den Schalter 26 B, si

3855

O 12

daß eine kleinere Bezugsspannung VR1 anschließend einem mit sukzessiver Approximation arbeitenden auf den Integrator 23 gekoppelt wird. Ab diesem A/D-Umsetzer ist diese Methode nicht allgemein anZeitpunkt wird an Stelle des Zählers 1 der Zähler 2 wendbar, weil das Ausgangssignal wiederholt mit durch Taktimpulse weitergeschaltet. Auch hier kön- dem Eingang zur Erzielung eines dem Eingangssignal nen die gleichen Überlauferscheinungen auftreten, 5 entsprechenden Endwertes im Ausgangsregister verdie oben für den Zähler 2 beschrieben worden sind, glichen werden muß. Der Inhalt des Ausgangsregies bedeutet jedoch in diesem Fall ein Überlauf des sters des A/D-iJmsetzers 55 darf daher vor Abschluß Zählers 1 lediglich, daß die niedrigste Wertstelle im der sukzessiven Approximation nicht geändert wer-Zähler 2 inkrementiert wird. Demgemäß arbeiten den.

die Zähler 1 und 2 als einheitliche Zählstufe, bei der 10 Es ist jedoch möglich, diese Subtraktion am Ende lediglich ein Überlauf des Zählers 2 eine besondere eines solchen sukzessiven Approximationszyklus Bedeutung aufweist. In der Darstellung nach F i g. 3 vorzunehmen. Dazu kann die Subtrahierschaltung entsprechen die flacheren Abfallflanken von £0 oder das Ausgangsregisler 58 als Dekrementzähler an den Stellen 41 und 42 der geringeren Größe der ausgelegt sein, so daß ein Impuls mit entsprechen-Bezugsspannung VR 1. Wenn schließlich das Aus- 15 dem Pegel den gleichen Effekt zeigt wie das Subgangssignal £0 den ursprünglichen Bezugspunkt tränieren einer binären äquivalenten Größe zur jebeim Start (in diesem Fall Nullpotential) erreicht, weiligen Bit-oder Registerflipflopstelle, dem die Rückwird dieser Zustand durch die Vergleichsschaltung zählimpulse zugeführt werden. Beispielsweise würde 45 abgefühlt und ein entsprechendes Signal an die ein der drittniedrigsten Stelle zugeführter Impuls Steuerschaltung 21 gegeben, woraufhin über die 20 gleichbedeutend mit dem Subtrahieren der Zahl 4 vom Steuerleitung 34 der Schalter 26 B geöffnet wird. Endwert sein oder ein Hinzufügen zur nächsthöhe-Dadurch wird weiterhin angezeigt, daß der Umsetz- ren Bitstelle würde eine Subtraktion der Zahl 8 zyklus beendet ist und die Inhalte der Zähler 1 darstellen usw. Auf diese Weise würde für einen und 2 sowie der Flipflops ST und UT die Kombi- 10-Bit-Umsetzer mit einer Auflösung von 1 :1024 nation das Umsetzergebnis darstellen. Dabei ist zu 25 und einer vollen Bereichsspannung von 10,24 Vo"t beachten, daß das Umschalten von VR 2 auf VR 1 die geringste signifikante Bitstelle einem Wert von mit dem nach Durchschreiten der Schwelle VT auf- 10 mV entsprechen. Würde man für FO= 160 mV tretenden nächsten Zählimpuls in den Zähler 2 er- wählen, was zum Ausgleich der Ungenauigkeiten der folgt, so daß die Integrationszeit für die Flankenteile Vergleichsschaltung ausreichte, könnte dieser Wert 41 und 42 nicht notwendig gleich sind. Diese zusam- 30 durch Einführung eines Dekrement-Impulses in der menfassende Funktionsbeschreibung macht deutlich, fünften Bitstelle korrigiert werden,
daß tatsächlich der gesamte Zählerstand des Zählers Die zur Abfühlung der Polarität dienende Vw-25 der Größe der effektiven Eingangsspannung ent- gleichsschaltung 50 in F i g. 4 arbeitet in der gleichen spricht. i^m Zusammenhang mit den in F i g. 1 und 2 beschrie-Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die nach 35 benen Weise. In gleicher Weise reagiert die Steuerdem Stande der Technik übliche Methode zur Umset- schaltung 51 auf diese Polaritätsabfühlung, um zu zung bipolarer Signale mittels einer Nullpunkts-Ver- entscheiden, ob VX direkt über den geschlossenen lagerungsspannung die Umsetzzeit verdoppelt, ergibt Schalter 52 oder nach vorherigem Durchgang durch sich für die vorliegende Erfindung der besondere den Inverter 53 und den geschlossenen Schalter 54 Vorteil in ihrer Anwendung für die mit Rampenspan- 40 dem eigentlichen A/D-Umsetzer 55 zugeführt wird, nungen arbeitenden Umsetzern. Die Erfindung läßt Diese zu Anfang vorgenommene Polaritätsabfühlung sich jedoch gleichermaßen praktisch auf alle Arten legt ferner fest, ob die Flipflopschaltung 56 je nach von A/D-Umsetzern anwenden. An Hand der Dar- der erkannten Polarität gesetzt oder nicht gesetzi stellung in Fig. 4 soll verdeutlicht werden, daß mit wird. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsder erfindungsgemäßen Methode die Umsetzung bi- 45 beispielen wird der digiiale Ausgang über die Expolarer Signale auch durch sukzessive Approximation klusiv-NOR-Glieder 59 in Abhängigkeit von dem Zuvorgenommen werden kann. Es soll angenommen stand des Flipflops 56 ausgelesen und interprewerden, daß der grundsätzliche A/D-Umsetzer 55 iiert.

unipolarer Art ist, und ein Ausgangssignal in einem Die Erfindung kann ferner bei solchen A/D-Umbinären digitalen Register erzeugt, das als Dekre- 50 setzern Anwendung finden, bei denen ein erster Um-

ment-, d. h. Rückwärts-Zähler arbeiten kann. Zur setzvorgang vorgenommen wird zur Bestimmung

sukzessiven Approximation kann unter Einsatz be- eines geeigneten Abschwächungs- oder Verstärkungs

kannter Maßnahmen eine Nullpunkts-Verlagerungs- grades, so daß für ein gegebenes unbekanntes analo

spannung FO hinzugefügt werden. Dazu kann bei- ges Eingangssignal im zweiten Umsetzvorgang eil spielsweise ein Differentialverstärker oder ein ein- 55 optimales Auflösungsschema zugrunde gelegt werdei

faches Summiernetzwerk Verwendung finden. kann. Bei solchen Systemen kann die anfänglich«

Der einzige grundsätzliche Unterschied zwischen Polaritätsbestimmung dann für beide Umsetzvor

diesem und dem mit Rampenspannungen arbeiten- gänge ausgenützt werden. Weiterhin kann die Polari

den A/D-Umsetzertyp besteht in der Anordnung zur tätsbestimmung direkt für mehrere Umsetzzyklen ge Subtraktion der Verlagerungsspannung FO. Beim 60 speichert werden, wenn von vornherein von eine

Rampenspannungsumsetzer wird diese Subtraktion Gruppe von Multiplexorausgängen bekannt ist, dal

durch Voreinstellung des Zählers auf einen negativen sie eine zwar anfänglich unbekannte, jedoch einheit

Wert vor Beginn des Umsetzzyklus erreicht. Bei liehe Priorität aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. A/D-Umsetzer für bipolare Eingangssignale unter Verwendung eines unipolar arbeitenden A/D-Umsetzers mit einer eingangsseitigen Schaltung zur Feststellung und gegebenenfalls Änderung der Polarität der Eingangssignale derart, daß dem eigentlichen unipolaren Umsetzer stets Signale derselben Polarität zugeführt werden, welehe Signale auf einen Integrator geleitet, mit mindestens einer Bezugsspannung verglichen werden und in einer während der Vergleichszeit abgeleiteten, in einem digitalen Register bzw. Zähler festgehaltenen Binärfolge nach Betrag und Vorzeichen dargestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung am Integrator des A/D-Umsetzers so gewählt ist, daß der mögliche Fehlerspannungsbereich der Polaritätsabfühlschaltung dadurch überdeckt ist und daß in dem im A/D-Umsetzer vorgesehenen ausgangsseitigen Zählregister die dieser Bezugsspannung digital entsprechende Zählereinstellung bei der Feststellung der Größe der umzusetzenden analogen Eingangsspannung kompensiert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der eingangsseitigen Polaritätsabfühlschaltung zumindest bis zum Abschluß des unmittelbar anschließenden Umsetzvorganges gespeichert ist.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine logische Verknüpfungsschaltung als ausgangsseitige Auswertcschaltung, welche die gespeicherte Polaritätsinformation mit dem in digitaler Form vorliegenden Umsetzergebnis zu dem nach Betrag und Größe vollständigen Ausgangssignal verbindet.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung am Integrator des A/D-Umsetzers so gewählt ist, daß der mögliche Fehlerspannungsbereich der Polaritätsabfühlschaltung dadurch überdeckt ist und daß in dem im A/D-Umsetzer vorgesehenen ausgangsscitigen Zählregister die dieser Bezugsspannung digital entsprechende Zählereinstellung bei der Feststellung der Größe der umzusetzenden analogen Eingangsspannung kompensiert wird.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung bzw. Kompensation des Bezugsspannungspegels am Integrator das Zählregister in der Weise voreingestellt ist, daß vor Beginn des eigentlichen Umsetzvorganges ein entsprechender negativer Zählwert vorliegt und daß aus dessen Überlaufsignalverhalten die Vorzeicheninformation gewonnen bzw. bei falsch erkannter Polarität durch die Polaritätsabfühlschaltung dieser Fehler korrigiert wird.

6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem im A/D-Umsetzer vorgesehenen Zählregister zur Darstellung der digitalen Entsprechung des analogen Eingangssignals mittels einer Subtrahiereinrichtung die Reduzierung des Registerinhalts und die digitale Entsprechung der Bezugssparmung vorgenommen wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einer negativen Eingangsspannung digital entsprechende Zählregistereinstellung durch eine über die gespeicherte Polaritätsinformation gesteuerte Logik in komplementierter Form zur Auslesung gelangt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zählregister weitere Registerstellen zur Speicherung der Vorzeicheninformation zugeordnet sind, deren Zustand aus den Überlaufsignalen der vorhergehenden Zählstufen beeinflußt wird.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Überlaufsignal des Zählregisters die Flipflops für die Vorzeichen- und Überlaufinformation zurücksetzt und als Polaritätshinweis ausgewertet wird und daß ein zweiter Überlauf die Überschreitung des zulässigen Spannungsbereichs des A/D-Umsetzers bedeutet.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zählregister mit Dtkrementzählereigentichaft ausgestattet ist und zur Subtraktion der digitalen Entsprechung der am Integrator anliegenden Bezugsspannung am Ende des Umsetzvorgangs ein Zählimpuls der in ihrer Wertigkeit der Bezugsspannung entsprechenden Zählregisterstufe zugeführt wird.