DE2216349C3

DE2216349C3 - Analog-Digital-Umsetzer für bipolare Eingangssignale

Info

Publication number: DE2216349C3
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: 1974-10-03
Also published as: SE392011B; NL7204293A; DK132358B; GB1352276A; CA974648A; BR7202012D0; DE2216349B2; DE2216349A1; IT947669B; DK132358C; JPS5118301B1; FR2131996B1; FR2131996A1; US3737893A; BE780803A

Description

Die Erfindung betrifft einen A/D-Umsetzcr für bipolare Eingangssignale unter Verwendung eine? unipolar arbeitenden A/D-Umsetzers mit einer ehgangsseifigen Schaltung zur Feststellung und gegebenenfalls Änderung der Polarität der Eingangssignale derart, daß dem eigentlichen unipolaren Umsetzer stets Signale derselben Polarität zugeführt werden, weiche 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 analoger Signale, die während der Zeit ihres Auftretens stets ein und dieselbe Polarität aufweisen. Die Erfindung betrifft demgegenüber das Problem der Umsetzung bipolarer analoger Eingangssignale.

Zur Verarbeitung von bipolaren Eingangssignalen

sind A, D-Umscuer der eingangs genannten Art bereits bekannt (vgl. den in der deutschen Auslegeüchrift 1 274 179 beschriebenen Stand der Technik). Die bisher bekanntgewordenen A/D-Umsetzer für bipolare Analogsignale weisen jedoch spezifische Nachteile auf. So bestftht bei A/D-Umsetzem der oben bezeichneten Art das Problem, daß die Betriebs- ?uverlässigkei{ in bezug auf mögliche fehlerhafte Polaritätsentscheidungen, insbesondere bei kleinen Eingangssignalen um den Nullpunktbereich herum, heraogesetzt ist, d. h., daß hierbei keine Möglichkeit besteht, eine anfänglich falsch getroffene Polaritätsentscheidung später zu berücksichtigen bzw. zu korrigieren. Andere A/D-Umsetzer für bipolare Eingangssignale benutzen mehrere Bezugsspannungen entgegengesetzter Polarität, um eingangsseitig durch Vergleich die aktuelle Polarität des Eingangssignal* festzustellen. Dabei muli nvui jedoch den Nachteil in Kaut nehmen, daß jede L vugs,pannungsquelle uiiaibhängig von den anderen Drifierscheinungen unterworfen ist, die das Umsetzergebnis direkt im Sinne tiner fehlerhaften Umsetzung beeinflussen können. Zusatzlich zu dem Erfordernis weiterer Bezugsspan nungsquellen weisen diese Umsetzer ausgesprochen nachteilige »tote Zonen« bzw. UiiMcherheitsbereiehe in ihrem jeweiligen Nullpunktsbereich auf. Weiterhin stellt sich das Problem, daß lediglich bezüglich ihres Vorzeichens unterschiedliche, jedoch betragsmäßig gleiche Eingangssignale infolge der durch Verwendung mehrerer Bczugsspannungsquellen bedingten Unsymmetrie der Umsetzschaltung in ihrer digitalen Form auch betragsmäßig ungleiche Ausgangswerte zugeordnet bekommen. Will man diese Fehlermöglichkeiten in befriedigender Weise reduzieren, ist dazu regelmäßig ein hoher schaltungsmäßiger Aufwand erforderlich. Als Beispiel dafür sei der in der USA.-latentschrift 3 493 958 vorgeschlagene A D-IInisetzer genannt.

Ferner wurde für die Umsetzung bipolarer Eingangssignale bereits vorgeschlagen. In die Umsetzschaltung eine so hohe Nullpunkt-Verlagerungsspannung (offset voltage) einzuführen, daß die an sich bipolaren Eingangssignale für ihre Verarbeitung im Umsetzer als unipolare Signale, d. h. als Signale mit stets derselben Polarität auftreten. Das aber erfordert zwangläufig die schaltungsmäßige Auslegung des Umsetzers für eine.¹ relativ großen Spannungsbereich, was sich insbesondere bei A/D-Umsetzern nach dem Intcgrutionsprinzip als störend erweist. Schließlich ist der USA.-Patentschrifl 3 234 544 ein A/D-Umsetzer tür bipolare Eingangssignale zu entnehmen, bei dem sich jedoch die Vorzeicheninformation in komplizierter Weise aus den Gewichten der übrigen Registerstellen für die digitale Entsprechung des Eingangssignals dem Betrage nach ergibt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten A'Ü-Umsetzer für bipolare Eingangssignale anzugeben, der nicht für einen an sich unnötig hohen Spannungsbereich ausgelegt sein muß und insbesondere Nullpunktsfehler zuverlässig und in einfacher Weise vermeidet bzw. eine etwaig falsch getroffene Polarilätsentscheidung /u korrigieren gestattet.

Gemäß der ErLndtmg ist vorgesehen, daß die Bezugsspannung am Integrator des A/D-Umsetzers so gewählt ist. daß ό,τ mögliche Fehlerspannungsbereich der Polaritätsabfühlschaltung dadurch überdeckt ist und daß in dem im A/D-Umsetzer vorgesehenen ausgangssdtjgen Zählregister die diessr Bezugsspannung digital entsprechende Zählereinstellung bei de.· Feststellung der Größe der umzusetzenden analogen Eingangsspannung, 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 auszuschließen ist, bei Signalen um den Nullpunkt

»o herum eine fehlerhafte Polaritätsentscheidung ergibt, ist durch die Erfindung sichergestellt, daß durch die Überlautsignale in den entsprechend der Bezugsspannung voreingestellten Zählern diese anfänglich fehlerhaft festgestellte Polarität korrigiert wird. In vorteil-

hafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Ausgangssignal der elngangsseitigen Polaritätsnbfühleinrichtung zumindest bis zum Abschluß iles unmittelbar anschließenden Umsetzvorganges gespeichert ist. Damit ergibt si·.·'-· die Möglichkeit, bei dem anfänglich sowohl nach Betrag als auch Vorzeichen unbekannten Eingangssignal die anfängliche Polaritätsabfühlung dann für den gesanvm anschließenden Uinsetzvorgang zu verwerten, wenn anderersei -, bekannt ist, daß es sich um ein Signal mit zwar ;-.nf^:-nglich unbekannter aber dann ständig glcichblei-IcmV'r positiver oder negativer Polarität handelt. ,■i'.cre vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung Mnd in den Unteransprüchen gei.ennzcichnet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von

Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläuteit. Es zeigt

fI g. I das Blockschaltbild eines erfindungsgemäß verbesserten A D-Umsetzers.

Fig. 2 die Anwendung der Erfindung auf einen mittels dreier Rampen arbeitenden A/D-Umsctzcr.

F i g 3 den Verlauf des Ausgai.gssignals am Integrator des A D-Umsetzers in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene Eingangssignale VX und

Fig. 4 die Anwendung der Erfindung auf einen

mittels sukzessiver Approximation arbeitenden AD-Umsetzer.

im Blockschaltbild der F i g. 1 ist die Erfindung im Zusammenhang mit einem mittels mehrerer Rampenspannungen arbeitenden integrierenden A/D-Umsct-

/er dargestellt. Das zu erfassende unbekannte Analogsignal F,Y am Eingang 10 kann beispielsweise von bestimmten Abfühlelemcnten, die über eine Auswahlschaltung (Multiplexor) ausgewählt worden sind, stammen. Natürlich kann es sich auch um das Aus-

5" gangssignal eine? einzelnen Abfühlelementes handeln. V/ie bereits bei A/D-Umsetzcrn mit mehreren Rampenspanntngen bekannt ist, leitet die Steuerschaltung 11 einen Umsetzzyklus ein, indem in der Schaltcrmatrix 12 der zugehörige Schalter geschlossen und

somit VX der Integratorschaltung 13 zugeführt wird Diese Eirigangsintegration erstreckt sich üb:r eins, bestimmte Zcilpcriodc, die durch die vom Taktgehei 14 in den Zähler 15 und über die Steuerschaltung 11 geleitete Taktimpuls bestimmt ist. Nachdem dei

Zähler 15 einen vorbestimmten Zählstand erreich hr.t, wird i-ber die Steuerschaltung ti die Schalter matrix 12 derart beeinflußt, daß VX nicht mehr lan gcr am Integrator 13 anliegt, sondern von der Be zugsspannimgsquellc 16 eine entsprechende Standard

fir, bezugsspannung auf den Integrator 13 gekoppel wird. Diese Bezugsspannung weist eine gegenübe VX in der weitergeleiteten Form entgegengesetzt Polarität auf. so daß die Spannung am Ausgang de

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Integrators 13 in Richtung auf ihren ursprünglichen geber IS in einen ersten Überlaufzusland inkremen-Eingangspegel abklingt. ticrt werden, bevor solche eine positive Polarität anWenn die Ausgangsspannung am Integrator 13 den zeigende Ziihlimpiilsc gespeichert werden. Das beanfänglichen Schwellwertpegel erreicht hat. wird deutet, daß eine falschliche Polaritätsangabc durch diese Tatsache von der Vergleichsschaltung 17 an 5 die Verglcichseinrichliing 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 He- kleine negative Zahl aus dem Ausbleiben eines Überzugsspannung integriert wird, vom Taktgeber 14 laufs resultiert und somit der Zählerinhalt in Verstammcndc 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 talcs 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 werden. entweder Zweier- oder Einerkomplementform. Im Werden von der Bezugsspannungsquelle 16 zwei Be- letzteren Fall wird der Inhalt des Zählers 15 vor 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- " Die Darstellung in Fig. 2 stellt die vorliegende den, der im folgenden an Hand der Fi 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- Anschinß 20 abfühlt und bestimmt. Der mit einem

trieb des Integrators 13 die von 16 gelieferte Be- Verstärkungsfaktor I 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

gleichsschaltung 18 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 HA geschlossen, um VX direkt auf den Integrator

Steuerschaltung 11 weiter. In der Steuerschaltung 11 35 23 zu koppeln, oder der Schalter 22 B wird geschlos-

wird diese Information, z. B. durch Setzen eines zu- sen. um VX in seiner invertierten Form auf den Inte-

gchörigen Verriegelungskreises, gespeichert und ge- grator 23 zu koppeln, und zwar je nach der durch das

gebcnenfalls die Schaltermatrix 12 so beeinflußt, daß Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 28 ange-

statt des direkten Anschlusses von VX an den Inte- zeigten Polarität. An den Anschluß 24 des Integra-

gra1orl3 während der ersten Abfühlzeitperiode der 40 tors 23 ist ferner eine Spannung + VO angelegt, deren

Ausgang eines Inverters 19 mit einer Einheitsverstär- Wert größer als die größte Fehlertoleranz der Ver-

kung 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) auf

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 VO 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 die

sammenhang mit Vergleichsschaltungen, z. B. 18, bei 50 Vergleichsschaltung 28 eine Polaritätsumkehr einer

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 Flipflopschaltungen

der tatsächlichen Polarität am Anschluß 10 entge- 57" und UT vorgesehen, die über den Decoder 38 zur

gengesetzte Polarität aufweist. Eine solche Situation Anzeige des Vorzeichens (S) und des Überlaufs (V)

entsteht lediglich für einen relativ kleinen Signal- 55 dienen.

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

Erfindung löst dieses Problem dadurch, daß für den arbeitende A/D-Umsetzer in einen oder mehreren

Integrator 13 ein Differentialeingang vorgesehen ist Zählern Ausgangssignale, die proportional zu dem

und VX bzw. der Inverterausgang 19 in der Schalt- analogen Eingangssignal sind. Der Ausgang des mit

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 als

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 die Integrators 13 bildende Bezugsspannung der Zähler 65 Zähler I und 2 auf ein Bitmuster vöreingestcllt, das 15 in der Weise eingestellt, daß auf jeden Fall vor in Zweierkomplementform der Größe der Inüegrator-Beginn des eigentlichen Umsetzzyklus ein negativer spannung VO entspricht, die nach dem Teilfaktor Zählwert vorliegt. Der Zähler 15 muß also vom Takt- bzw. der Bereichsabstufung des A/TWJmsetzers be-

stimmt ist. Hs soll beispielsweise angenommen werden, daß die Zähler 1 und 2 mit ihren Bitpositionen .ST und UT ein !6-Bit-Register 25 darstellen, wobei die Bitpositionen des Zählers 2 die Bitpostionen höherer Ordnung und die Bitpositionen des Zählers die Positionen niederer Ordnung repräsentieren. Diese '''oreinstellung wird am Ende der Ahfühlperiode von VX durch Plazierung von Einsen in 57", VT und in die Positionen höherer Ordnung des Zählers! bewirkt. Der Zähler 2 wird durch Taktimpulse unter Ausschluß des Zählers 1 während der Integration der größeren Bezugsspannung VR1 inkrementiert, während der Zähler 1 während der Integration von VR 1 fortgeschaltet wird. Obwohl ein Überlauf vom Zähler 2 nach der Voreinstellung die Flipflopschaltungen 57* und UT löscht, wirken die Überläufe vom Zähler I als zusätzliche Inkremente für die Positionen niederer Ordnung des Zählers 2. Auf diese Weise entspricht die Anzahl von Taktimpulsen, die dem Zähler 1 oder Zähler 2 zugeführt werden müs- ao sen, um einen anfänglichen Überlauf vom Zähler 2 nach dessen Voreinstellung zu vollenden, der Größe der Spannung VO.

Die Vergleichsschaltung 28 fühlt die Polarität des analogen Eingangssignals VX ab und setzt entsprechcnd den Zustand des die Polarität anzeigenden Flipflips in der Steuerschaltung 21. Der Zustand dieses Flipflops wird während des Umsetzvorganges bcibe'ijlten, ungeachtet möglicher anschließender am Ausgang der Vergleichsschaltung28 angezeigter Wechsei, und bestimmt auf diese Weise, welche der beiden Umsctzopti-r.i.-.jcn i-blaufcn. Zur Verdeutlichung soll angenommen werden, daß die Anzeige eines positiven Eingangssignals am Ausgang der Vergleichsschaltung 28 das die Polaritätsinformation speichernde Flipflop setzt, während die Anzeige eines negativen Eingangssignals es zurücksetzt bzw. in den Nullzustand bringt. Der Spannungspegel auf der Leitung 30 repräsentiert den logischen Zustand dieses Polaritätsflipflops derart, daß eine binäre 1 der Crkennung eines positiven Eingangssignals durch die Ver-Vergleichseinrichtung 28 entspricht. Dabei ist zu beachten, daß infolge von Schwellen verschiebungen in Vergleichseinrichtung 28 entspricht. Dabei ist zu beaus ein 1-Zustand angezeigt werden kann, auch wenn der Eingang tatsächlich negativ ist. Ein solcher Fehler wird automatisch im Rahmen der im folgenden beschriebenen bipolaren Umsetzung kompensiert.

In Abhängigkeit von dem Spannungszustand auf der Leitung 30 kann das Eingangssignal VX im Inverter 29 umgekehrt werden. Das würde dadurch geschehen, daß auf der Leitung 32 ein den Schalter 22 B schließendes Signal von der Steuerschaltung 21 erzeugt würde. Es wird angenommen, daß immer dies dann auftritt, wenn die Leitung 30 den Spannungszustand 1 aufweist, so daß der tatsächliche Eingang am Summierknoten des Integrators 23 infolge VX als stets negativ angenommen wird. Weiterhin ist die Flanke des Integratorausganges entsprechend der Integration von VX oder dessen invertierten Wertes stets positiv oder ansteigend. Im folgenden ist eine Wahrheitstafel angegeben, welche die Ergebnisse jeder möglichen Kombination der Indikatorbitstellen ST und SU sowie der Eingangspolarität umfaßt und die Eingangspolarität umfaßt die Ausgangsgrößen das Vorzeichenbit S sowie das Uberlaufbit U als Funktion des Leistungszustandes 30 sowie der Flipflopzustände ST und UT angibt.

Tabelle I

30	ST	UT	S	U	Ausgang
0	0	0	I	0	negativ
0	0	I	I	I	negativer
					Überlauf
0	I	I	0	0	positiv
I	0	0	0	0	positiv
1	0	1	0	I	positiver
					Überlauf
1	I	I	I	0	negativ

Aus der Tabelle 1 ergeben sich die logischen Bestimmungsgleichungen für U und 5 wie folgt:

5 = 30 · ST (- 30 · 57.

U = ST UT

Solange Sättigungseinflüsse der A/D-Umsetzerelemente, 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 seinen Bereich überschritten hat, und die resultierende Information fehlerhaft ist, müssen lediglich Mittel zum Speichern eines solchen zweiten Überlaufereignisses und zur Anzeige eines Fehlers vorgesehen werden. Folgedessen kann ein dritter Überlauf, selbst svenn er eintreten sollte, ignoriert werden.

Wenn die Vergleichsschaltung 28 einen negativen Eingang VX zu Beginn eines Umsetzzyklus anzeigt, wird das Potential der Leitung 30 auf Null zurückgestellt. Im folgenden werden die möglicherweise auftretenden Potentialzustände erläutert:

1. VX = 0. In diesem Fall ist das effektive Eingangssignal am Integrator 23 gleich -KO, und der Umsetzvorgang dieses Wertes löscht exak; 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 VO, 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 ist dann größer als VQ. Beim Umsetzvorgang wird die anfänglich voreingestellte negative Zahl gelöscht und im Zähler eine endgültige positive Zahl erhalten, die in ihrer Größe dem Bereichswert des negativen Eingangssignals entspricht.

4. VX ist negativ und hat einen Überlauf zur Folge. Unter diesen Umständen erfolgt tatsächlich ein zweimaliger Überlauf des Zählers. Der erste Überlauf ergibt sich als Resultat des Auslöschens der voreingestellten negativen Zahl, und der zweite Überlauf ergibt sich als Resultat der Tatsache, daß das Eingangssignal die Zählerkapazität überschreitet. In dem zweiten Fall werden die temporären Vorzeichen- und Überlaufbits ST und UT decodiert, um ein Überlaufsignal vorzusehen. Dieser Fall ist in der oben angegebenen Wahrheitstafel (Tabelle I in der zweiten Zeile) dargestellt.

Am finde des Umsetzvorganges wird jede Bitstellc des /älilers 25 über die Lxklusiv-NOR-C Wieder .15 und 36 ausgelesen, die den Zählerwert komplementieren, falls der Spannungs/.iisland auf der Leitung 30 gleich 0 ist. Auf diese Weise wird die im Zähler in Zweier/.omplcmentform ;ils Ergebnis eines positiven liingaiigssignals erscheinende Zahl, wie ohen unter 2. besehrieben, komplementiert und als positive Zahl ausgelesen, während die als lirgebnis einer negativen Zahl, wie oben unter 3. besehrieben, im Zähler erscheinende positive Zahl in Zweierkomplcmentform als negative Zahl ausgelesen wird. Die Komplcmentierung durch die Exklusiv-NOR-Glieder erzeugt in Einer-Komplementform die Zählctsteilung. Der Unterschied zwischen der Einerund Zwcierkomplementform stellt lediglich einen durch Verschiebung verursachten ninzel'oitfehlcr dar, der in konventioneller Weise durch entsprechende Justierung des A/D-Umsetzers und des Inverters ausgeglichen werden kann. Die Exklusiv-NOR-Glieder 35 und 36 tragen der Tatsache Rechnung, daß die Leitung 30 Nullziistand ist und invertieren jede Bitsteile des Zählers 25 vor dem Auslesen im Gegensatz zu dem Fall, dnß auf der Leitung 30 der !-Zustand herrscht, wo der tatsächliche Inhalt in unveränderter Form wiedergegeben wird. Die folgende Gleichung definiert den Zustand jeder Ausgangsbitstelle Z der Exklusiv-NOR-Logik in Abhängigkeit von der entsprechenden Zählerausgangsbitstclle Q und dem Zustand auf der Leitung 30.

Z = 3D · ~Q -\ 30 · Q

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

Tabelle II

30	Q	Z
0	0	I
0	1	0
I	0	0
1	1	I

Wenn die Vergleichsschaltung 28 zu Anfang einen positiven Eingang mit der Folge einer binären 1 auf der Leitung 30 anzeigt, wird die Eingangsspannung vor ihrer Integration über die Steuerschaltung 21, ein entsprechendes Steuersignal auf der Leitung 32 und damit durch Schließung des Schalters 22 B invertiert. Für den Fall, daß die Werte invertiert werden, ergibt sich die gleiche Fallunterscheidung wie oben. In diesem Fall stellen jedoch die endgültigen Zählerwerte die wahre Entsprechung der Eingangsspannung VX dar und werden demzufolge vor ihrem Auslesen nicht mehr komplementiert. Ist beispielsweise die Polaritätsanzeige fehlerhaft, wird das kleine negativ%, 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 Leitung 30 Null ist. Dadurch erscheint im Zähler 25 das Ergebnis in Zweierkomplementfönn, welches direkt als korrekte Darstellung des negativen Ehigangswertes ausgelesen wird, selbst wenn die von der Vergleichsschaltung zu Anfang vorgenommene Polari- lätsfcststellung fehlerhaft war. Wie bereits im Zusammenhang mit der obigen Tabelle I gesagt worden ist, wird durch uic Decodierung der SI - und Ul-An.'eigebitstclleii zusammen mit tier feststellung des j Zustiitidcs auf der Leitung 30 in allen Füllen die korrekte Vor/eichen- und Uherlaufanzeigc festgelegt. Die Arbeitsweise eines mit drei Rampen arbeitenden A/D-lJmselzers gemäß F i g. 2 wird noch einmal wie folgt zusammengesetzt:

ίο Zu Anfang liegt das analoge Lingangssignal VX am Anschluß 20 an und wird je nach dem Vcrgleichsergebms der Vergleichsschaltung 28 entweder direkt über den durch die Steuerschaltung 21 und Steuerleitung 31 geschlosscnenen Schalter 22/1 oder in invertierter Form über den geschlossenen Schalter 22/i ;im Integrator 23 gekoppelt. Zum Abfühlen dieses Hingangssignals wird von der Steuerschaltung 21 eine bestimmte Zeitperiode 7' festgelegt. Dazu kann beispielsweise der Zähler 2 direkt von einem Taktgeber fortgeschaltet werden und beim Auftreten eines Überlaufs der Schalter 22 A oder 22 Ii wieder geöffnet werden. Dadurch ist das F.nde der Abfiihlperiode T in F i g. 3 festgelegt. In Fig. 3 ist in Abhängigkeit von der Zeit der Ausgang des Integrators 23 für zwei verschiedene Fälle dargestellt, einmal für VX 0 und zum anderen für VX ^r gleich der vollen positiven oder negativen Bercichsspannung VFS. Nach Ablauf der Abfühlzcit T wird von der Steuerschaltung über die Steucrleitung 33 der Schal-3" ter 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 Fig. 3 zu ersehen ist. Gleichzeitig mit der Betätigung dos Schalters 26/1 wird über die Steuerschaltung 21 die negative Voreinstellung des Zählers 25 und der Bitstellen ST und UT zur Berücksichtigung der Vergleichsspannung KO 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 der gleichen Weise wie bei der vorherigen Festlegung der Abfühfzeit T, und der Zähler 25 wird in Abhängigkeit von der Größe des Eingangssignals VX gegebenenfalls ein Überlaufsignal erzeugen. Der Zähler 2 war am Ende der Abfühlzeit T, die er durch sein Überlaufsignal festlegte, gelöscht und voreingestellt. Er wird nun durch die Taktimpulse weitergeschaltet, die während des Anliegens der Bezugsspannung VR 2 am Integrator 23 auftreten. Diese Fortschaltezeit ist in Abhängigkeit von dem ursprünglichen Wert der Eingangsspannung VX unterschiedlich. Aus der obigen Tabelle I ist ersichtlich, daß der erste Überlauf des Zählers 25 die Flip-flops UT und ST zurückstellt und als Polaritätshinweis gewertet wird, während ein zweiter Überlauf, durch den das Flipflop UT erneut gesetzt wird, anzeigt, daß VX den zugelassenen Spannungsbereich des Λ/D-Umsetzers überschreitet.

Nachdem das Erreichen der durch VT defi-

nierten Schwelle von der Vergleichsschaltung

am Ausgang^; festgestellt worden ist, öffnet die

Steuerschaltung 21 über ihren Ausgang 34 den

Schalter 26/4 und schließt den Scrtalter 26 B, so

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daß eini kleinere Bczugsspannung VR 1 anschließend einem mit sukzessiver Approximation arbeitenden auf den Integrator 23 gekoppelt wird. Ab diesem A/D-Umselzer ist diese Methode nicht allgemein anZeitpunkt wird an Stelle des Zahlers 1 der Zähler 2 wendbar, weil das Ausgangssignal wiederholt mit durch Taktimpulse weitergeschaltet. Auch hier kön- dem Eingang zur Erzielung eines dem Eingangssignal neu die gleichen Überlauferscheinungcn auftreten. 5 entsprechenden Endwertes itr 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-Umsetzers 55 darf daher vor Abschluß Zählers I lediglich, daß die niedrigste Wertstelle im der sukzessiven Approximation nicht geändert vverfcähler 2 inkrementicrt wird. Demgemäß arbeiten den.

tlic Zähler 1 und 2 als einheitliche Zählstufe, bei der _l0 Es ist jedoch möglich, diese Subtraktion am Ende lediglich ein Überlauf des Zählers 2 eine besondere eines solchen sukzessiven Approximationszyklus tledeutunt> aufweist. In der Darstellung nach Fig. 3 vorzunehmen. Dazu kann die Subtrahierschaltung tntspreehen die flacheren Abfallflanken von EO oder das Ausgangsregister 58 als Dckrementzähler tin den Stellen 41 und 42 der geringeren Größe der ausgelegt sein, so daß ein Impuls mit entsprecheniBezugsspannung VH 1. Wenn schließlich das Aus- 15 dem Pegel den gleichen Effekt zeigt wie das Subfeangssignal EO den ursprünglichen Bezugspunkt trahieren einer binären äquivalenten Größe zur jebcim Start (in diesem Fall Nullpotential) erreicht, weiligen Bit-oder Registerflipflopstelle, dem die Rückwird dieser Zustand durch die Vergleichsschaltung zählimpulse zugeführt werden. Beispielsweise würde 45 abge'ühlt 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 Stcuerleitung 34 der Schalter 26/? 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 57' und UT die Kombi- 10-Bit-Umsetzer mit einer Auflösung von 1 :1024 nation, das Umsetzergebnis darstellen. Dabei ist zu 15 und einer vollen Bereichsspannung von 10,24 Volt 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- !"■ mV entsprechen. Würde man für VO — 16OmV 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 Ver-25 der Größe der effektiven Eingangsspannung ent- gleichsschaltung 50 in F i g. 4 arbeitet in der gleichen spricht. im Zusammenhang mit den in F i g. 1 und 2 bcschrie-

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 duich 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 Flipflopschalt/vig 56 je nach von A/D-Umsetzern anwenden. An Hand der Dar- der erkannten Polarität gesetzt oder nicht gesetzt stellung in F i g. 4 soll verdeutlicht werden, daß mit wird. Wie bei den oben beschriebenen Ausfuhrungsdcr erfindungsgemäßen Methode die Umsetzung bi- 45 beispielen wird der digitale 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 inter -rewerden, daß der grundsätzliche A/D-Umsetzer 55 tiert.

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 Verstärkung* kannter Maßnahmen eine Nullpunkts-Verlagerungs- grades, so daß für ein gegebenes unbekanntes anal» spannu.ig 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 anfänglichi

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 Umsetzzykien ge

Subtraktion der Verlagerungsspannung FO. Beim 60 speichert werden, wenn von vornherein von eine

Rampenspannungsumsetzer wird diese Subtraktion Gruppe von Multiplexorausgängen bekannt ist, da

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

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

Hierzu 3 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, weiche 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 P'ehlerspannungsbereich der Poiaritäisabfühlschahung 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 na-rh Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der eingangsseitigen Polaritätsabfühlschaltung zumindest bis zum Abschluß des unmittelbar anschließenden Umsetzvorganges gespeichert ist.

3. Schaltungsanordnung nac^i den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet jurch iine logische Verknüpfungsschaltung als ausgangsseitige Auswerteschaltung, weiche 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 se 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 Bezugsspannung vorgenommen wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vnr hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die einer negativen Eingangsspannunj digital entsprechende Zählregistereinstelluni durch eine über die gespeicherte Polaritätsinfor mation gesteuerte Logik in komplementierte Form zur Auslesung gelangt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß dem Zählregister weitere Registerstellen zu Speicherung der Vorzeicheninformation zugeord net sind, deren Zustand aus den Uberlaufsignaler der vorhergehenden Zählstufen beeinflußt wird

9. Schaltungsanordnung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß das erste Überlaufsignal des Zählregisten die Flipflops für die Vorzeichen- und Überlauf information zurücksetzt und als P:.-h;rffat5hinwer! 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 Dekrementzähiereigenschaft 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 Zählregisterstufc zugeführt wird.