DE2222182A1 - Isolierter digital-analog-umsetzer - Google Patents

Description

Priorität; 30. Juni 1971; V.St.A.; Nr. 158 236

Die Erfindung "bezieht sich auf die Umsetzung von digitalen Daten in eine analoge Spannung und insbesondere auf einen Digital-Analog-Umsetzer, der eine in hohem Maße genaue Analogspannung abgibt, wobei das Bezugspotential der ausgangsseitig angeschlossenen Lastimpedanz von dem Bezugspotential der digitalen Daten verschieden sein kann.

Bei der Konstruktion von Digital-Analog-Umsetzern ist angestrebt worden, das Bezugspotential der ausgangsseitigen Lastimpedanz dem Bezugspotential der binären Eingangsdaten und der .Stromversorgung gleich zu machen. Bei der praktischen Anwendung müssen dabei besondere Erdungsverfahren angewendet werden, um für das gesamte Umsetzersystem ein einziges Bezugspotential zu schaffen. Dies ist dann besonders schwierig zu erreichen, wenn"die ausgangsseitige Lastimpedanz sich an einem von dem eigentlichen Digital-Analog-Umsetzer entfernten Ort befindet.

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Anstatt gleiche Bezugspotentiale vorzusehen, hat man auch zwei Verfahrensweisen angewendet, um verschiedene Bezugspotentiale der Lastimpedanz und der Datenquelle vorzusehen, ohne daß unerwünschte Signale an der Lastimpedanz induziert werden. Bei einer dieser Verfahrensweisen wird eine sehr hohe Ausgangsquellenimpedanz verwendet, d. h. eine Ausgangsstromquelle in Verbindung mit einer stromabhängigen Last oder einer Präzisionslastimpedanz, wodurch die gewünschte Präzision der Ausgangsspannung erhalten wurde. Diese Verfahrensweise ist jedoch wegen der der Lastimpedanz auferlegten Beschränkungen häufig unbequem. Zusätzlich wird die Größe der zulässigen Bezugspotentialdifferenzen durch den direkt angekoppelten Ausgangskreis der Schaltung begrenzt.

Bei einer zweiten, häufiger verwendeten Verfahrensweise zum Arbeiten mit verschiedenen Bezugspotentialen an Eingang und Ausgang werden die digitalen Eingangsdater» und die Stromversorgung mittels eines vollständig isolierenden Zwischengliedes mit Hilfe von abgestrahlter elektromagnetischer Energie angekoppelt. Zum Beispiel ist die Verwendung von Eisenkerntransformatoren üblich, um die elektrische Energie über einen für Gleichströme nichtleitenden Übertragungsweg zu koppeln.

Jedoch haben die bekannten, mittels einer Transformatorkopplung gleichstrommäßig isolierten Digital-Analog-Umsetzer beträchtlich verschiedene Verhaltenscharakteristiken je nachdem, welche der beiden Signalausgangsleitungen mit dem Last-Bezugspotential verbunden wird, welches die Polarität des Ausgangssignals bestimmt. Aufgrund der für diese bekannten Schaltungen charakteristischen Unsymmetrie ist die Fähigkeit der Schaltung, an die Last eine von dem Bszugspotential unabhängige Spannung anzulegen, begrenzt, wenn die "normale¹¹ Ausgangsklemme geerdet bzw. an das Bezugspotential der Last

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gelegt wird. Andererseits kanu sieh eine zufriedenstellende Betriebsweise der ,Schaltung"ergeben, wenn die "gemeinsame" oder "Erdungs"-Ausgangsklemme an das Bezugspotential der last gelegt wird. Aus diesem Grund sind die bekannten Digital-Analog-Umsetzer zur Abgabe von sehr genauen Ausgangssignalen nur für eine Polarität des analogen Ausgangssignals imstande.

Ein Ziel der Erfindung ist es daher, die gleichstrommäßige und weehselstrommäßige Isolierung zwischen den Eingängen und dem Ausgang eines Digital-Analog-Umsetzers zu verbessern.

Ein weiteres Ziel besteht darin, genaue analoge Ausgangssignale aus dem Digital-Analog-Umsetzer für die an die beiden Ausgangsklemmen angeschlossene Last zu erhalten, wobei eine beliebige der beiden Ausgangsklemmen an ein externes Bezugspotential gelegt werden kann, ohne die Genauigkeit des Digital-Analog-Umsetzers zu* beeinträchtigen.

Ein weiteres Ziel besteht darin, Wechselstromsignale, die innerhalb der Umsetzerschaltung erzeugt werden, daran zu hindern, an der ausgangsseitigen Lastimpedanz zu erscheinen.

Schließlich wird auch angestrebt, ein fehlerhaftes Betriebsverhalten des Digital-Analog-Umsetzers zu vermeiden, wenn das Bezugspotential der ausgangsseitigen Lastimpedanz von dem Bezugspotential des Dateneingangs und dem der Stromversorgung der Umsetzerschaltung verschieden ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Digital-Analog-Umsetzer wird ein Paar von Ausgleichsverstärkern verwendet, die sich in einer Ausgleichsschaltung befinden, welche zwischen den binären Dateneingang und den zwei Klemmen aufweisenden Ausgang geschaltet ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jede Dateneingangsklemme dadurch abgetastet und den Summierklernmen der Operationsverstärker entsprechende Signale

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zugeführt, daß ein Paar von abgeglichenen Widerständen mit dem binären Dateneingang mit Hilfe von Transistorschaltern gekoppelt sind, die nach Maßgabe des binären Signals betätigt werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeder binären Eingangsklemme ein derartiges Widerstandspaar zugeordnet, und jedes Widerstandspaar weist einen Widerstandswert auf, der zu dem Widerstandswert des vorhergehenden Paares in der Beziehung einer geometrischen Reihe steht, damit für verschiedene binäre Eingangssignale verschiedene analoge Ausgangsspannungen erzeugt werden.

Die Verwendung von abgeglichenen Operationsverstärkern und von Sätzen abgeglichener Widerstände, welche parallel zueinander zwischen den Summierklemmen der Verstärker liegen, ergibt eine vollständig abgeglichene und symmetrische Schaltung, so daß die Ausgangsklemmen in der Weise miteinander vertauscht werden können, daß eine beliebige der beiden Ausgangsklemmen mit einem externen Bezugspotential verbunden wird, ohne daß das Betriebsverhalten der Schaltung beeinflußt wird. Es werden unerwünschte Signale, die differenzmäßig an den beiden Ausgangsklemmen erscheinen könnten und die entweder von intern erzeugten Trägerfrequenzen oder von extern erzeugten Signalen gemeinsamer Art, d. h. auf beide Ausgänge in gleicher Weise einwirkenden Signalen, die z. B. von der Last herrühren können, stammen können, durch die Ausbalanciertheit der Schaltung minimisiert, wobei das Potential gemeinsamer Art, d. h. das für den Ausgang maßgebende Bezugspotential, von dem Bezugspotential der Last bestimmt wird.

Bei der Erfindung werden Isoliertransformatoren verwendet, von denen einer zwischen die Stromquelle und die die Operationsverstärker treibende Bezugsspannungsquelle geschaltet ist und von denen weitere zwischen den Dateneingang und die gewichteten Widerstandszweige geschaltet sind. Dies ergibt

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aine sehr gute gleichstrom- und wechselstrommäßige Isolierung für Signale gemeinsamer Art niedriger und mittlerer Frequenz zwischen dem binären Dateneingang und dem analogen Ausgang sowie eine geringe interne Erzeugung von Potentialen gemeinsamer Art und die Fähigkeit, hohen Spannungen standzuhalten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Symmetrierglied zwischen die Ausgänge der Operationsverstärker und die Ausgangsklemmen geschaltet, um eine in starkem Maße isolierende Impedanz für harmonische Oberschwingungen bereitzustellen»

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Digital-Analog-Umsetzers;

Figur 2 eine ins einzelne gehende -Darstellung einer Bezugsspannungsquelle zur Zuführung von Präzisionsbezugsspannungen zu den Eingangsklemmen der Operationsverstärker; und

Figur 3 eine ins einzelne gehende Darstellung eines Isolierkopplungsgliedes und eines Filtergleichrichters zur Ankopplung der binären Daten und der Stromquelle an die Umsetzerschaltung.

Gemäß Figur 1 wird ein N-stelliges binäres Eingangssignal an den binären Eingangsklemmen 1, 2, ..., N empfangen» Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Datenbits gleichzeitig an den Eingangsklemmen empfangen, wobei ein "1"-BIt durch das Nichtvorhandensein eines Impulses dargestellt wird. Jede Klemme ist mit einem Modulator 22 verbunden. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, ist die Klemme

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mit dem Modulator 1, die Klemme 2 mit dem Modulator 2 usw. verbunden. Jeder Modulator wird von einem Datenoszillator getrieben, der eine Taktquelle für jede Gruppe von empfangenen Datenbits darstellt. Der Modulator 22 ist von üblicher Bauart und liefert einen Ausgangsspannungsimpuls an das Isolierkopplungsglied 24, wenn ein Impuls von dem Datenoszillator mit einem binären Dateneingangssignal koinzidiert. Der Modulator an sich bekannter Bauart kann ein mit hoher Geschwindigkeit arbeitendes UND-Tor enthalten, um die Datensignale mit einem von dem Datenoszillator 21 kommenden Impulszug zu modulieren.

Der Ausgangsimpuls des Modulators 22 wird über das Isolierkopplungsglied 24 und den Filtergleichrichter 26 geführt, um ein Gleichstromsignal an die Basisklemraen der zueinander komplementären Transistoren Sl und Sl¹ zu legen, die in der Art eines abgeglichenen invertierenden Zweifachschalters arbeiten. Die besondere Bauart des Isolierkopplungsgliedes 24 und des Filtergleichrichters 26 wird nachstehend noch ausführlich beschrieben. Es ist zunächst nur erforderlich zu wissen, daß die Impulse an den Basisklemraen der Transistoren Sl und Sl¹ von einander entgegengesetzter Polarität sind, so daß beide Transistoren gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet werden, je nachdem, ob an ihren Eingangsklemmen eine "1^M oder eine "0" liegt. Jeder Datenbitkanal erzeugt genügend Basisstrom und genügend Basisspannung, um die Transistoren Sl und Sl¹ umzuschalten.

Die Emitter der Transistoren Sl und Sl¹ sind mit Widerständen Rl bzw. Rl¹ verbunden. Die miteinander verbundenen Kollektorklemmen der beiden Transistoren sind mit dem Querkondensator Cl verbunden. In ähnlicher Weise sind die Schaltertransistoren S2 und S2¹ mit Widerständen R2 bzw. R2' und mit einem Querkondensator G2 verbunden usw. In einem typischen Anwendungsfall enthält der Umsetzer acht bis zehn binäre Eingangskleramen.

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Die zueinander komplementären Transistoren werden in der invertierenden Betriebsweise "betrieben, um sehr geringe Eraitter-Kollektor-Spannungen im Sättigungszustand.zu erhalten. Die Schalter sind schwimmend und bilden keine Gleichstromwege für irgendeinen anderen Teil der Umsetzerschaltung. Der gesamte Strom fließt durch die abgeglichenen Widerstände und zu den Summierklemmen der Verstärker 30 und 32. Die abgeglichene Schaltungsweise der gegensinnig leitenden Transistoren ergibt im Bndeffekt einen einpoligen Ein-Aus-Schalter zwischen den damit verbundenen Widerständen; für jeden Leitungszustand der Transistoren ist die die Widerstände treibende Impedanz gleich und bezüglich des Verstärkerbezugspotentials auf der Leitung 74· ausbalanciert. Daher bleibt die Spannung entlang der Querkondensatoren Cl, ..., CN für jeden Zustand der Eingangssignale nahe bei null.

Die Widerstände Rl und El¹ weisen vorzugsweise einen gleichen Wert auf; jedoch müssen sie nicht genau gleich sein. Eine genaue Betriebsweise ist sichergestellt, wenn die Summe der Widerstandswerte von Rl und Rl¹ genau bemessen wird. Vor-, zugsweise sind die Summen der Widerstandswerte Rl + Rl·, R2 + R2¹, ..., RU + RN¹ nach Art einer geometrischen Reihe aufeinander bezogen nach Maßgabe der den entsprechenden Eingangsbits 1, 2, ..., Ν zugeordneten Gewichte. Zum Beispiel kann die Beziehung der Widerstandswerte so gewählt werden, daß sie für binärkodierte Eingangsdaten jeweils um einen Faktor 2 variieren; in Form einer mathematischen Gleichung ausgedrückt:

(1) Ri + Ri¹ = 2¹Ro, für 1 < i < If

Dabei ist Ri + Ri¹ der Gesamtwiderstandswert des i-ten Dateneingangskanals und Ro ein Grundwiderstandswert, ζ. Β. 1,25

2 O 9 3 δ ? / Γ) 9 71

Die Ausgangskiemmen der Widerstände Rl, R2, ...,RN sind über eine gemeinsame Ausgangsleitung 73 mit der negativen Eingangsklemme des Operationsverstärkers 32 verbunden. In ähnlicher Weise sind die Ausgangsklemmen der Widerstände Rl¹, R2¹, ..., RN¹ über die gemeinsame Leitung 72 mit der negativen Eingangsklemme des Operationsverstärkers 30 verbunden. Jeder Satz von abgeglichenen Widerständen Ri + Ri¹ liegt also in Parallelschaltung mit jedem anderen Widerstandssatz zwischen den Summierklemmen der Verstärker 30 und 32, wenn die jeweils zugeordneten Transistorschalter Si und Si¹ ■betätigt sind.

Der im Zusammenhang mit den Verstärkern 30 und 32 .verwendete Begriff "Operationsverstärker" soll bedeuten, daß es sich um einen Differenzverstärker sehr hoher Verstärkung handelt, der ein Paar Eingangsklemmen, eine einzige Ausgangsklemme und zwei Stromversorgungsklemraen mit der Punktion einer ausgangsseitigen Erdung aufweist.

Eine Wechselstromversorgung 6 ist an das Isolierkopplungsglied 7 angeschlossen; der Wechselstrom wird durch den Filtergleichrichter 8 gleichgerichtet und gefiltert und dann über die Leitungen 12 und 13 beiden Verstärkern 30 und 32 und einer schwimmenden Bezugsspannungsquelle 14 zugeführt. Das Isolierkopplungsglied 7 ist ähnlich aufgebaut wie das Isolierkopplungsglied 24, welches im einzelnen noch im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben wird. Die Bezugsspannungs- · quelle 14 ist vorzugsweise eine Präzxsionsspannungsquelle, die den Verstärkern 30 und 32 Spannungen und Ströme verschiedener Werte zuführt. Der besondere Aufbau einer bevorzugten Form dieser Bezugsspannungsquelle 14 wird noch im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben. Die Stromversorgung 6 besteht vorzugsweise aus einem Spannungsumformer und Spannungsregler üblicher Bauart, der eine in gewissen Grenzen geregelte Wechselspannung erzeugt. Vorzugsweise erzeugt die Stromver-

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sorgung über den Filtergleichrichter 8 eine Ausgangsspannung von 50 V bei 30 tbA mit einer Welligkeit von 200 mV.

Die Stromversorgung ist weohselspannungsraäßig an das Potential der Leitung 74 durch, Kondensatoren 10 und 11 angeschlossen, die jeden verbleibenden Best von Wechselstromanteilen über die Kondensatoren 21 und 23 an die Ausgangspunkte 31 und 33 leiten. Diese Wechselstromanteile werden dann jedoch, durch, das Symmetrierglied 36 blockiert und gelangen nicht zu den Ausgangsleitungen 37 und 38. Die Bezugsspannungsquelle 14- stellt an den. Klemmen 15, 16, 17 und 18 verschiedene genau bemessene Spannungswerte bereit. Diese Spannungswerte werden V15» V16, V17 und V18 genannt, wobei der Bezugspunkt das Potential der zwischen den Kondensatoren 10 und 11 liegenden Leitung 74 ist, welches das Sehwirambezugspotential der Umsetzerschaltung ist. Die Spannung V15 führt der Summierleitung 72 und damit der invertierenden Minusklemme des Verstärkers 30 über den Vorwiderstand Ea einen Eingangsstrom zu. In ähnlicher Weise führt die Spannung V18 der Summierleitung 73 und damit der invertierenden Minusklerarae des Verstärkers 32 über den Vorwiderstand Eaa einen Eingangsstrom zu. Rückkopplungswiderstände Rf und Rff dienen·dazu, die Niederfrequenzverstärkung der Verstärker 30 bzw. 32 zu steuern. In einem typischen Anwendungsfall ist Rf = Rff und Ra = Raa. Die Spannungen V16 und V17 werden der nichtinvertierenden positiven Klemme des Verstärkers 30 bzw. 32 zugeführt und dienen als Bezugsspannungen für die im Abgleich arbeitende Verstärkerschaltung.

Die Ausgangsspannung Vo aus der im Abgleich arbeitenden Verstärkerschaltung wird an den Ausgangsklemmen 31 und 33 entnommen und über das Symmetrierglied 36 einem zweipoligen, mit einer Abschirmung 39 versehenen Kabel zugeführt. Das Kabel stellt eine Verbindung zu der Last 40 her, die sich üblicherweise an einem von der Umsetzerschaltung entfernten

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Ort "befindet. Das Bezugspotential 75 der last kann von dem Bezugspotential 76 am Eingang der Umsetzerschaltung beträchtlich verschieden sein, wobei die Differenz zwischen diesen beiden Potentialen die Spannung gemeinsamer Art (comman-mode) genannt wird. Die an den positiven und negativen leitungen der Last 40 anliegende gewünschte Ausgangsspannung wird Spannung differentieller Art (differential mode) der Umsetzerschaltung genannt.

Die Kombination des am Ausgang der Umsetzerschaltung liegenden Symmetriergliedes 36 und der beiden Querkondensatoren 21 und 23 verhindert, daß die Umsetzerschaltung restliche Umforraerleckströme entweder von der Stromversorgung 6 oder von den Isolierkopplungsgliedern 24 zu der last 40 durchläßt. Die Widerstände 34 und 35 dienen dazu, den für die Spannung gemeinsamer Art vorgesehenen Resonanzkreis zu dämpfen, welcher von der magnetischen Induktivität der Ausgleichsschaltung und den Streukapazitäten zwischen der schwimmenden Bezugspotentialleitung 74 und dem Bezugspotential 76 der Schaltung gebildet wird.

Das Symmetrierglied 36 und die Kondensatoren 21 und 23 wirken als hohe Impedanzen bei sehr hohen Frequenzen einschließlich derjenigen oberhalb der Bandbreiten der Verstärker 30 und Die abgeglichene Schaltungsweise der Verstärker hat auch die Wirkung, daß die Spannungen gemeinsamer Art daran gehindert werden, Spannungen differentieller Art an der lastimpedanz 40 zu induzieren, und zwar unabhängig davon, welche der Ausgangsleitungen 37 oder 38 an das Potential 75 angeschlossen ist.

Paßt man das oben Beschriebene zusammen, so werden die Verstärker 30 und 32 als Differenzverstärker in einer im Abgleich arbeitenden Schaltung verwendet, wobei die dem einen

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Verstärker zugeordneten Widerstände Widerstandswerte aufweisen, die ungefähr gleich den Widerstandswerten der dem anderen Verstärker zugeordneten Widerstände sind, d. h. Rf = Eff und Ra = Raa. Jede von einem "binären Eingangssignal ■betätigte Schalterstufe "bringt ihren zugeordneten Satz von Widerständen Ri und Ri¹ in Seriensehaltung zwischen die Summierklemmen der Verstärker 30 und 32, und jeder so geschaltete Satz von Widerständen liegt parallel zu jedem anderen derartig zwischen die Verstärker gelegten Satz von Widerständen.

Figur 2 ist ein schematisches Diagramm der Bezugsspannungsquelle 14 von Figur 1, die einen Satz von Präzisionsspannungen über die Leitungen 15, 16, 17 und 18 an die zugeordneten Eingänge der Verstärker 30 und 32 legt. Die Bezugsspannungsquelle 14 ist üblicherweise als Zener-Regelschaltung mit zwei Querzweigen bekannt, deren Hauptkomponenten aus Zener-Dioden 52 und 53» welche einen ersten Querzweig zwischen den Eingangsleitungen 12 und 13 bilden, und aus einer Zener-Diode 57 bestehen, welche einen zweiten Querzweig bildet. Die Dioden sind in Sperrichtung gepolt, wie das in üblichen Regelschaltungen dieser Art der Fall ist, und zwar durch die Gleichspannung, die über den Filtergleichrichter 8 von der Stromversorgung 6 erhalten wird. Die von. dem Filtergleichrichter erhaltene Gleichspannung an den Eingangsklemmen 12 und 13 ist größer als die gewünschte geregelte Spannung, welche an die Leitungen 15, 16, 17 und 18 -gelegt werden soll. Die Eingangsspannung ist, wie bereits erwähnt wurde, aufgrund der Bauart der Stromversorgung 6 in gewissen Grenzen bereits geregelt; jedoch kann sich ihr Wert noch verändern. Die Last an den Ausgangsklemmen 15 bis 17 darf sich nicht ändern. Beim Betrieb wird die von dem Filtergleichrichter 8 empfangene Gleichspannung nach dem Abfall an den Widerständen 50 und 51 zunächst durch die Dioden 52 und 53 reguliert. Die so regulier-

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t· Spannung fällt dann an den Widerständen 55 und 56 ab und gelangt an den die Diode 57 enthaltenden zweiten Querzweig. Der einstellbare Widerstand 58 leitet die endgültig geregelte Spannung zu den Widerständen 60, 61 und 63 und dient als Spannungsteiler, mit dem die minimale Ausgangsspannung der Umsetzerschaltung genau auf null eingeeicht werden kann, wenn die binären Eingangssignale sich in ihrem "Aus"-Zustand befinden. Die Kondensatoren 65, 66 und 67 sorgen für eine Entkopplung von hochfrequenten Störsignalen, indem sie die Quellenimpedanz der Bezugsspannungsquelle 14 für hohe Frequenzen herabsetzen. Das Potentiometer 61 dient als Mittel zum genauen Eineichen der maximalen Ausgangsspannung der Umsetzerschaltung, wenn alle binären Eingangssignale sich in ihrem "Ein"-Zustand befinden.

Figur 3 ist eine ins einzelne gehende schematische Darstellung eines Isolierkopplungsgliedes 24 und eines Filtergleichrichters 26, die in Figur 1 in Blockform gezeigt sind. Das Isolierkopplungsglied 24 besteht im wesentlichen aus einem einen Eisenkern aufweisenden abgeschirmten Transformator mit Mittelanzapfung, der für einen hohen Grad von gleichstromraäßiger Isolierung zwischen dem Datensignalempfangsteil und der Umsetzerschaltung sorgt. Wie in der Schaltungsskizze gezeigt wird, ist die Primärwicklung durch das Bezugspotential 76 der Umsetzerschaltung abgeschirmt, und die Sekundärwicklung ist durch das schwimmende Verstärkerbezugspotential über die Kopplungskondensatoren Cl, C2 ... CN abgeschirmt.. Eine dritte Zwischenabschirmung ist mittels der Leitung 71 mit der Abschirmung 39 des Ausgangskabels (Figur 1) verbunden, welche vorzugsweise mit dem Bezugspotential 75 der Last verbunden ist.'

Die in der Sekundärwicklung des Transformators induzierte Wechselspannung wird durch den aus den Dioden 82, 83, 84, bestehenden Ganzwellengleichrichter gleichgerichtet und durch

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ein Rö-Filter gefiltert, welches aus den Serienwiderständen 86, 87 j 90 und 91, aus dem Querwiderstand 92 und aus den Querkondensatoren 88 und 89 besteht, welche parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators liegen. Ein rechteckiger Wechselstroraimpuls am Ausgang des Modulators 22 induziert daher einen Wechselstroraimpuls in der Sekundärwicklung, der gleichgerichtet wird und eine positive Spannung an die Basis des npn-Transistors Sl' gibt und eine negative Spannung an Γ die Basis des pnp-Transistors Sl gibt, wodurch beide Transistoren gleichzeitig in einen leitenden Zustand übergehen. Wegen ihrer Inverterschaltungsweise gehen die Transistoren stark in Sättigung über und bieten praktisch keinen Widerstand zwischen den Widerständen Rl¹ und Rl.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Figur 1 die Betriebsweise der beschriebenen umsetzerschaltung erläutert. Die' binären Eingangsdaten 1, 2, ... Ii werden durch den Datenoszillator 21 durch die Modulatoren 22 und durch die Isolierkopplungsglieder 24- zu den Filtergleichrichtern 26 getastet. Die Filtergleichrichter 26 spannen die jeweils zueinander komplementären Transistorschalter Sl, Sl¹, ... SN, SN¹ mit einer Gleichspannung vor. Wie im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben wurde, besteht das Isolxerkopplungsglied 24 vorzugsweise aus einem Transformator mit Mittelanzapfung, und der Filtergleichrichter 26 besteht aus einem üblichen Ganzwellengleichrichter und einem Filter; Die Polarität der Gleichrichterdioden 82 bis 85 ist so gewählt, daß der Schalter Sl¹, der ein npn-Transistor ist, an seiner Basis eine positive Spannung empfängt. Zur selben Zeit empfängt der Schalter Sl, der ein pnp-Transistor ist, an seiner Basis eine negative Spannung. Beide Transistoren werden daher gleichzeitig geschaltet und bilden eine leitende Verbindung zwischen den Widerständen Rl und Rl· und der im Abgleich arbeitenden Differenzverstärkerschaltung.

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Dieser Vorgang ereignet sich in jedem Eingangskanal, in dem das binäre Eingangssignal eine "1" ist. In den Eingangskanälen, in denen das Eingangssignal auf "0" bleibt, werden die zugehörigen Transistorschalter nicht betätigt, so daß die zugehörigen Widerstände Ri und Ri¹ keinen Strom zu den Summierklemmen liefern können. Wenn z. B. an den Eingangsklemmen 1 und N "!"-Bits erhalten werden, nicht aber an der Klemme 2 und den übrigen Klemmen, so werden die Widerstandspaare Rl + Rl¹ und RN + RN¹ jeweils parallel zu den invertierenden Eingangsklemmen der Verstärker 30 und 32 mittels der Leitungen 72 und 73 gelegt, und jedes Widerstandspaar wird einen Strom an den genannten Eingangskieramen der Verstärker 30 und 32 verursachen, der gleich ist dem Verhältnis der Spannung V-jg - V₁₇ zu der Widerstandssumme Rl + Rl¹ bzw. RN + RN'. Wie bereits erwähnt, bilden die Widerstände Rl und Rl¹ und RN und RN¹ jeder Schalterstufe einzelne serielle Verbindungszweige zwischen den invertierenden Klemmen der Verstärker 30 und 32.

Die Querkondensatoren Cl, C2 ... CN, die mit jeder Schalterstufe verbunden sind, verhindern, daß irgendwelche restlichen Hochfrequenzströme über die Isolierkopplungsglieder zu den Verstärkern fließen. Ein solcher Strom würde als Strom gemeinsamer Art zwischen den abgeglichenen Widerständen erscheinen, und die Verstärker würden einen solchen Strom aufgrund der hohen Frequenz des Stromes nicht abweisen. Die Querkondensatoren Cl, 02 ... CN leiten den Strom über die Leitung 74 und die abgeglichenen Querkondensatoren 21 und 23 zum Ausgang der Verstärker, wo er durch das Symmetrierglied 36 blockiert wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Werte der Querkondensatoren Cl, ... CN umgekehrt proportional den Werten der abgeglichenen Widerstände Rl + Rl¹, ... , HN"+ HN¹.

Die schwimmende Bezugsspannungsq.uelle 14 wird mit ihren Klemmen 16 und 17 den Bezugsklemmen (nichtinvertierenden Klemmen) der Verstärker 30 und 32 Bezugsspannungen ungefähr gleichen

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.Wertes, aber entgegengesetzten Vorzeichens zuführen. Im Ruhezustand, d. h. wenn keine der Schalterstufen aktiviert ist, wird ebenfalls ein Strompfad gebildet zwischen der positiven Klemme 15 der Bezugsspannungsq.uelle 14 über den Vorwiderstand Ra und den Rückkopplungswiderstand Rf zum Ausgang

31 des Verstärkers 30; ferner wird in symmetrischer Weise ein Strompfad gebildet von der negativen Klemme 18 der Bezugsspannungsq.uelle 14 über den Vorwiderstand Rea und den Rückkopplungswiderstand Rff zum Ausgang 33 des Verstärkers Der Gesamtstrora an den Summierklemmen der Verstärker 30 und

32 ist natürlich idealerweise null. Die Ausgangsspannung

V^-, - ν^·ζ> die an der Last 40 liegt, kann auf null eingestellt werden, ohne daß dabei Schalter betätigt werden, indem die Werte der Widerstände Ra, Raa, Rf und Rff geeignet gewählt werden und die Spannungen V-, p- bis V-, _a durch entsprechende Einstellung der Potentiometer 58 und 61 geeignet eingestellt werden. Es kann jedoch auch die Ausgangsspannung V-z-i - V-z* irgendeiner von null verschiedenen Spannung gleichgemacht werden, was dann gemacht werden wird, wenn unter der Steuerung mittels der Dateneingangssignale eine Ausgangsspannung beider Polaritäten erwünscht ist.

Es sei nun angenommen, daß an den Klemmen 1 und U eine binäre "1^M empfangen· worden ist und daß alle anderen Transistorschalter abgeschaltet sind. Es werden dann die zugehörigen Schalterstufen aktiviert, und die Widerstände Rl und RU werden an. die invertierende Eingangsklemme des Verstärkers 32 angeschaltet. In ähnlicher Weise werden die Widerstände Rl¹ und RN' an die invertierende Eingangsklemme des Verstärkers 30 angeschaltet. Dadurch wird ein Paar von Parallelzweigen zwischen den invertierenden Eingangsklemmen der Verstärker mittels der Widerstände Rl und Rl¹ und RN und M^f gebildet. Die an der Last liegende Spannung V·*-, - V·,·, ist näherungsweise durch die folgende Gleichung gegeben, bei der Pehlerterme

2 0 9 8 H ? I Π 9 7

vernachlässigt werden und die Summation nur für diejenigen Eingänge i durchgeführt wird, die sich im "!"-Zustand befinden:

(O) V _ V -(V - V ) M +J ^ΚΙ *

u; V₅₁ V₅₅ - ^v₁₆ V₁₇; 1 +^ U₃-^

- <^V15 - ^V16) M - <^V17 - ^V18)

Insgesamt gesehen erhält man also durch die Erfindung einen Digital-Analog-Umsetzer, der in großem Maße gegenüber Störsignalen, welche außerhalb oder innerhalb des Umsetzers erzeugt werden, isoliert ist. Die zweifache Verstärkeranordnung/gibt ein analoges Ausgangssignal mit einem großen Störabstand der Ausgangsspannung gemeinsamer Art, und zwar sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Frequenzen und bei Gleichstrom. Die Hauptquelle der Ausgangsspannung gemeinsamer Art sind die verschiedenen Isolierkopplungsglieder und das externe-Bezugspotential 75· Eine Einwirkung dieser Spannungen auf die an der Last liegende Ausgangsspannung differentieller Art wird durch die vorliegende Erfindung vermieden. Eb kann daher entweder die positive oder die negative Seite der Last an ein externes Bezugspotential gelegt werden, ohne daß die an der Last liegende Spannung differentieller Art irgendwie berührt würde.

Die Isolierung gegen die Stromversorgung und gegen die Eirigangsdatensignale wird mit Hilfe der Isolierkopplungsglieder 7 und 24 erreicht. Dabei werden Transformatoren mit Eisenkern bevorzugt, die sowohl praktikabler als auch weniger aufwendig sind als andere Arten von Isolierkopplungsgliedern, die an sich auch benutzt werden könnten.

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Die Isolierkopplungsglieder sind jedoch nur teilweise wirksam. Zum Beispiel vermögen sie nicht eine Übertragung von Spannungen gemeinsamer Art von der externen Last zu der Umsetzerschaltung und durch die Umsetzerschaltung mittels, Streukapazitäten und den Kapazitäten der verschiedenen Transformatoren zu verhindern. Bei der praktischen Ausführung befindet sich die Last an einem von der Umsetzerschaltung entfernten Ort, und ihr Bezugspotential kann beträchtlich von dem der Eingangsdatensignale und der Stromversorgung differieren. Der an der Last aufgrund d'ieses Unterschiedes erzeugte Strom bildet eine Schleife, deren Kapazitäten sich innerhalb der Ums.etzerschaltung befinden, und kann eine beträchtliche Spannung gemeinsamer Art an dem Ausgang der Umsetzerschaltung zur Folge haben.

Zusätzlich zu der von der externen Last erzeugten Spannung gemeinsamer Art können Störsignale innerhalb der Umsetzerschaltung selbst erzeugt werden, die von den Isolierkopplungsgliedern nicht eliminiert werden. Diese Störsignale werden von den restlichen hochfrequenten Signalen hervorgerufen,, die an der Stromversorgung 6, dem Datenoszillator 21 und den Dateneingöngen erzeugt werden. Sie erscheinen auch differentiell zwischen den beiden Ausgangsklemmen als Signal gemeinsamer Art.

Me Auswirkung dieser unerwünschten Störsignale, welche von dem Ausgang der. Umsetzerschaltung' durch die Isolierkopplungsglieder nicht ferngehalten werden, wird durch die symmetrische Differenzverstärkeranordnung praktisch eliminiert.

20 9Ra? /0971 Patentansprüche;

Claims (10)

1. Patentansprüche

   "IJ Isolierter Digital-Analog-Umsetzer zum Umsetzen von an einer Vielzahl von Eingangsklemmen empfangenen digitalen Datensignalen in ein analoges Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß wechselstrommäßig arbeitende Isolierkopplungsglieder (24) die digitalen Eingangssignale (1 ... N) in die Umsetzerschaltung einkoppeln, daß ein erster und zweiter Differenzverstärker (30 "bzw. 32) in symmetrischer Differenzschaltung geschaltet sind und jeder Differenzverstärker eine Summiereingangsklemme, eine Bezugseingangsklemme und eine Ausgangsklemme (31 bzw. 33) aufweist, wobei ein Analogsignal an den Ausgangsklemmen (31> 33) erzeugt wird, daß eine Mehrzahl von üchalterstufen vorgesehen ist, von denen jede an eine zugeordnete digitale Eingangsklemme mittels eines Isolierkopplungsgliedes (24) angekoppelt ist und ein Paar symmetrischer Transistorschalter (öl, Sl* ... SN, SN¹) und ein Paar symmetrisch angeordneter Widerstände (Rl, Rl¹, ... RN, RN¹) enthält und aufgrund eines an der zugeordneten Eingangsklemine auftretenden digitalen Signals zwischen die Summiereingangsklemmen des genannten ersten und. zweiten Verstärkers (30 bzw. 32) geschaltet werden kann, daß eine Ausgangslastimpedanz (40) mit einer ersten Klemme und einer Bezugsklemme (75) vorgesehen ist, daß eine Hochfrequenz-Irapedanzeinrichtung (36) die Ausgangsklemmen der Verstärker (30, 32) mit der ersten Klemme und der Bezugsklemme (75) der Ausgangsimpedanz (40) koppelt und hochfrequente Eingangsieckströme von der Lastimpedam: (40) fernhält und daß die symmetrische Differerinsehalbungt:- anordnung verhindert, daß Spannungsänderungen ^ mn einsamer Art eine Änderung der an der Lastimpedanz (40) liegenden differentiellen Spannung hervorrufen, so daß die AuL;^rai_t>,-kLeinme (3L, 33) eines beliebigen der beiden Verstärker (;>0, 32) mit der Be^r-.ugt;klemme (75) der Lasting ο ami:: (40) verbunden v/erden kann, ohne daß dadurch die üporrwir··.im_; üer Iu-

   setzerschaltung gegen Störsignale der Spannung gemeinsamer Art beeinträchtigt wird.
2. 2. Umsetzer nacli Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hochfrequenz-Impedanzeinrichtung (36) ein Symmetrierglied ist und daß jedes der wechselspann ungsraäß ig arbeitenden Isolierkopplungsglieder (24) einen Eisenkerntransformator aufweist, der durch Abschirmmittel gegen Störsignale gemeinsamer Art abgeschirmt wird, welche von der Bezugsklemme (76) der Umsetzerschaltung oder der Bezugsklemme (75) der Ausgangsimpedanz (40) ausgehen.
3. 3. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstandswert der symmetrisch liegenden Widerstände (Rl, Rl' ... Rl, RN¹) in jeder Schalterstufe in der Beziehung eines Gliedes einer geometrischen Reihe mit dem Widerstandswert der symmetrischen Widerstände in der vorhergehenden Schalterstufe steht.
4. 4. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,- daß jeder der Differenzverstärker aus einem Operationsverstärker (30, 32) besteht, dessen Ausgangsklemme (31 bzw. 33) durch ein Rückkopplungsglied (Rf, Rf f) zu der SummiereingangsklemtDe rückgekoppelt ist, und daß die Summiereingangsklemmen und die symmetrischen abgeglichenen Widerstände (Rl, Rl¹ ... RH, RN¹), welche zwischen die Summiereingangsklemmen geschaltet sind, durch eine Vorspannungsquelle gespeist werden.
5. 5. Umsetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspannungsquelle eine Stromversorgungsquelle (6), eine Bezugsspannungsquelle zum Erzeugen dor Vorspannung und ein wechselstrommäßig arbeitendes Isolierkopplungsglied (7) aufweist-, welches die Stromveroorgungsquelle (6) mit der Bezugsspannungsquelle (14) koppelt,

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6. 6. Umsetzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß Kondensatoren (10, 11, 21, 23) zwischen das Isolxerkopplungsglied (7) und die Hochfrequenz-Impedanzeinrichtung (36) geschaltet sind, um an dem Isolierkopplungsglied (7) erzeugte Hochfrequenzströme an den Differenzverstärkern (30, 32) vorbeizuleiten.
7. 7· Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Transistorschalter (Sl, öl* ... SN, SN') jeweils vom entgegengesetzten Leitungstyp sind, und in invertierender Betriebsweise zwischen den Widerstandspaaren gesteuert werden, so daß sie die Widerstandspaare mit gleichen und symmetrischen Impedanzen steuern.
8. 8. Umsetzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , da.ß Kondensatoren (21, 23) zwischen die Kollektoren der Transistoren (Sl, Sl¹ ... SN, SN¹) und die Hochfrequenz-Impedanzeinrichtung (36) geschaltet sind, um an den Isolierkopplungsgliedern (24) der Dateneingangskanäle erzeugte hochfrequente Ströme um die Differenzverstärker (30, 32) herumzuleiten.
9. 9. Anordnung zum Umsetzen von digitalen Daten in eine analoge Spannung, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von digitalen Dateneingangsklemmen, durch Schaltereinrichtungen mit ersten und. zweiten Transistoren von komplementärem Leitungstyp, welche in der invertierenden Betriebsart betrieben werden, wobei eine Schaltereinrichtung jeder Eingangsklemme zugeordnet ist, durch wechselstrommäßig arbeitende Datenisoliermittel mit abgeschirmten Transformatoren, von denen je einer mit jeder Eingangsklemme gekoppelt ist, um die zugeordnete Schaltereinrichtung nach Maßgabe der Signale auf der zugeordneten Eingangsklemme zu betätigen, durch erste und zweite Operationsverstärker, die in symmetrischer Differenzschaltung angeordnet sind und von denen jeder

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   eine Summiereingangsklemme, eine Bezugseingangsklemme und eine Ausgangsklemme aufweist, wobei ein Analogsignal an den Ausgangsklemmen erzeugt wird, durch eine Ausgangsimpedanz ' mit einer ersten Klemme und einer Bezugsklemme, durch eine Hochfrequenz-Impedanzeinrichtung, die ein Symmetrierglied enthält, das die Ausgangsklemmen der Verstärker ('30, 32) mit der ersten Klemme und der Bezugsklemme der Ausgangslast . (40) koppelt und hochfrequente Eingangsleckströme von der Last (40) fernhält, durch eine als Stromversorgung dienende Wechselstromquelle (6), durch ein Isolierkopplungsglied (7) mit abgeschirmtem Transformator zum Koppeln der Wechselstromquelle (6) mit dem Eingang einer Bezugsspannungsquelle ' (14), wobei die Bezugsspannungsquelle (14) Vorspannungen den Bezugseingangsklemmen der Verstärker (30, 32) und Arbeitsströme den Summierklemmen der Verstärker (30, 32) zuführt, durch Sätze von ersten und zweiten symmetrischen Widerständen (Rl, Rl¹ ... RN, RN¹), von denen jeder je einer digitalen Eingangsklemme zugeordnet ist und zwischen den ersten bzw. zweiten Operationsverstärker (30, 32) und den Ausgang des ersten bzw. zweiten Transistors geschaltet ist, wobei die ersten und zweiten Widerstände miteinander in Serie geschaltet sind zwischen die Summierklemmen der Verstärker (30, 32), wenn die Transistoren betätigt sind, und parallel zu den in gleicher Weise geschalteten Widerstandssätzen liegen, die anderen digitalen Eingangsklemmen zugeordnet sind, wobei die symmetrische Differenzschaltungsweise verhindert, daß Änderungen der Spannung gemeinsamer Art eine Änderung der an der Ausgangslast (40) liegenden differentiellen Spannung hervorrufen, so daß die Ausgangsklemme eines beliebigen der beiden Verstärker (30, 32) mit der Bezugsklemme (75) der lastimpedanz (40) verbunden werden kann, ohne daß dadurch die Sperrwirkung der Umsetzerschaltung gegenüber Störsignalen gemeinsamer Art herabgesetzt wird.

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10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Gesatntwiderstand der einer digitalen Eingangskiemine zugeordneten symmetrischen Widerstände zu dem Gesamtwiderstand der der vorhergehenden dlgitalen Eingangsklemrae zugeordneten Widerstände in der P.;ziehung eines Gliedes einer geometrischen Eeihe steht und daß zwischen die Kollektoren der Transistoren und das Symmetrierglied Kondensatoren (Gl, ... CU) geschaltet sind, um an den Datenisolierkopplungsgliedern (24) erzeugte hochfrequente Ströme um die Operationsverstärker (30, 32) herumzuleiten, und daß zwischen dem Isolierkopplungsglied (7) zur Ankopplung der Wechselstromquelle (6) und der das Symmetrierglied (36) aufweisenden Schaltung Kondensatoren liegen, um alle an dem Isolierkopplungsglxed (7) erzeugten Hochfrequenzströme um die Operationsverstärker (30, 32) herumzuleiten.

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