DE2321517A1 - Analog-digitalwandler - Google Patents

Description

Patentanwalt DlPL-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*

MÜNCHEN 81 ■ WiSSMANNSTRASSE 14 · TELEFON Θ32774 · TELEGRAMMADRESSE: LANGHOFFPATENT MÜNCHEN

München, den 26„ April 1973 Unser Zeichen: 45-1215

Tekelee Airtonie S₀A. _s Cite des Bruy Ir¹SS₉ Rue C ar le -Verne t₉

F - 923IO Sevres

Analog-Digitalwandles?

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digitalwandlerg insbesondere in integrierter Bauweise_s sum genauen Umwandeln einer analoger; Spannung in ein digitales Signal»

Integrierende ÄEialog-Bigitalwandl©P_B etwa Digit al-Vo It met er, die ein digitales Ausgangssignal als Funktion des- Integrals eines analogen Eingangssignals erzeugen,, sind -bekannt. Derartige Wandler erfordern jedoch lange Umsetzungsseiten_a um Störungen durch die Hetzfrequens oder dergleichen aus« zuschließen. Außerdem sind-große, teure Kondensatoren für die Integriersehaltung erforderlich _% wenn eine hohe Genauigkeit gewünscht wird. Die Umsetzungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit sind außerdem durch den Verstärkungsfaktor, die Bandbreite und den Störpegel der Komparatorschaltung begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analog-Digitalwandler zu schaffen ₉ der eine hohe Umsetaungsgeschwindig^eit aufweistg mit einem kleinen Kondensator für die Integrierschaltung auskommt und eine geringere Verstärkung und Baad-

allgomaincr VofJfoSoF nach O 4Q PaiAnwS, ougolaocQR EaOi <sion tcnägotietiton MiSisstwan β

breite der Komparatorschaltung benötigt« -

Der Analog-Digitalwandler nach der Erfindung zeichnet sich aus durch einen Impulsgenerator zum Erzeugen von Impulsreihen₉ durch ©inen Impulszähler zum Erzeugen eines digitalen Ausgangszustandes als Funktion der Anzahl der vom Eingang empfangenen.Impulse, öureh eine Integrier- · schaltung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das proportional dem Integral des Eingangssignals über die Zeit ist, durch eine Sehalteinrichtung zum'Einspeisen eines ersten Eingangssignals in die Integrierechältung während eines ersten Zeitabschnittes_s durch-eine zweite Sehalteinrichtung zum Einspeisen eines Bezugssignals in «Sie Integrierschaltung während des ersten Zeitabschnittes sowie während eines stielte Zeitabschnittes_s und durch eine mit dieser gekuppelte Schal·= tung zum übertragen der Impulse des Impulsgene.ra.tors an den Eingang des -Impuls Zählers während des Einspeisens des Bezugssignals in die Integrlersehaltung. Ein derartiger Analog-Digit alwändler hat eine hohe Genauigkeit, die unabhängig von der Generatorfrequenz ist und von einer» Drift in der--Größe : des Integrierkondensators«. Sie .weist außerdem, eine hohe Störsicherheit auf. . .

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend besehrieben.

Figur 1 ist'ein "Blockschaltbild eines Digital-Analog- ." Wandlers nach der Erfindung«

Figur 2 zeigt Kurvendarstellungen &n verschiedenen Stellen der Schaltung-nach Figur 1.

Die in Figur .!dargestellte -Schaltung hat Eingangsklemmen 10_a an-die eine Eingangsspannung Ex₁ .angelegt .wird, die die un~ bekannte Analoggröße darstellt_s"die in eine entsprechende ■Digitalgröße umgewandelt werden soll« Die Eingangsklemmen 10

sind mit einem Spannungs-Stromwandler 12 verbunden, der von an sich bekannter Bauart ist und dazu dient, die Eingangsspannung in einen Strom I, = KeX₁ umzuwandeln. Bei dem Auöführungsbeispiel ist dieser Strom als positiv angenommen. .

Der Eingangsstrom I, gelangt über ein UND-Gatter 14 und ein ODER-Gatter 16 an eine Integrierschaltung 18, welche: von bekannter Bauart ist und einen Kondensator umfaßt, der durch den ankommenden Strom geladen wird und eine Spannung E am Ausgang der Integrierschaltung erzeugt.

Die Schaltung umfaßt fernereine Bezugsstromquelle 20, die einen Bezugsstrom Ip erzeugt, der als negativ angenommen sei. Dieser Bezugsstrom I„ gelangt an ein Paar UND-Gatter 22 und 24. Beide sind mit einem ODER-Gatter 16 verbunden und mit einem weiteren ODER-Gatter 26. Letzteres ist mit einem Gatter. 28 verbunden, und solange der Bezugsstrom I« in die Integriereehaltung 18 fließt, ist das Gatter 28 durchgeschaltet, so daß ein Oszillator 30 einen Ausgangszähler 32 treibt. Der Oszillator 30 kann ein freilaufender Multivibrator sein, der Impulse mit einer Frequenz F, erzeugt. Der Ausgangszähler 32 ist auch mit N bezeichnet.

Die Schaltung umfaßt ferner Zähle-r 34 und 36. Der Zähler 34, der auch mit N, bezeichnet ist, legt einen Zeitabschnitt T, fest, währenddessen der Strom I» in die Integrierschaltung.18 fließt. Der Zähler 36, der auch im N bezeichnet ist, er-

zeugt eine Anzahl aufeinanderfolgender Zeit-Unterabschnitte innerhalb des Zeitabschnittes T,. Die beiden Zähler 34 und 36 werden durch einen Oszillator 38 getrieben, der etwa ein freilaufender Multivibrator ist und mit einer Frequenz F schwingt. Der Oszillator 38 treibt den Ausgangszähler 32 über einen Frequenzvervielfacher.

Die Schaltung wird durch Freigeben des Oszillators 38 Über

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eine Startschaltung 40 in Betrieb gesetzt. Der Oszillator treibt die Zähler 34 und 36,-bis der Zähler 34 den Wert N, erreicht hat oder ein Vielfaches davon entsprechend der Zeit T,. Während dieser Zeit ist der Zähler 36 während einer bestimmten Anzahl von Zeitunterabschnitten N gespeist worden. Am Ende der Zeit N.. wird der Zähler 3*5 zurückgestellt und der Oszillator 38 angehalten. Der Zähler 36 wird am Ende jedes Zeitunterabschnittes N zurückgestellt.

ei

Der Ausgang des Zählers 3^ ist an den Umschalteingang eines üblichen Flip-Flop 42 angeschaltet und dient ferner zum Zurückstellen des Zählers 34 nach dem Zählwert N, und zum Anhalten des Oszillators 38. Der Umsehaltausgang des Flip-Flop 42 ist mit einem UND-Gatter 24 verbunden» Der Ausgang des Zählers 36 andererseits ist mit den beiden UND-Gattern· 44 und 46· verbunden. Das UND-Gatter 44 ist mit dem Umschalteingang des Flip-Flop 48 verbunden und das UND-Gatter 46 mit dem Rückstelleingang des Flip-Flop. Der Flip-Flop 48 ist mit dem UND-Gatter 22 verbunden, Der Ausgang des Zählers , 36 wird zum Rückstellen des'Zählers am Ende des Zählwertes N verwendet.

Die Spannung E am Ausgang der Integrierschaltung 18 ist an einen Schwellenwertdetektor 50 geleitet,, welcher von bekannter Bauart ist und an dem Anschluß A ein Aüsgangssignal erzeugt, wenn die.Spannung .E_n der Integrierschaltung größer

C _

ist als eine vorgegebene Spannung E, . Der Schwellenwertdetektor erzeugt an dem Anschluß B ein Aüsgangssignal, wenn die Spannung E kleiner ist als eine vorgegebene Spannung E-, welche kleiner gewählt ist als die Spannung E,„ Der Ausgangsanschluß A des Schwellenwertdetektors ist mit dem UND-Gatter 44 verbunden und über einen Inverter 52 mit dem UND-Gatter 46. Der Anschluß B des Schwellenwertdetektors ist mit dem Rückschalteingang des Flip-Flop 42 verbunden. Der Ausgang des Zählers 34 ist ferner über einen Inverter'" 54 mit dem UND-Gatter 14 verbunden. Der Betrieb der Schaltung geschieht

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in der Welse, daß die Startschaltung Ί0 einen Impuls (A in Figur 2) an den Oszillator 38 leitet und diesen in Betrieb setzt. Dieser. Oszillator treibt die Zähler 3** und 36. Am Ende des Zyklus N₁ erzeugt der Zähler J>^ einen Auspanesimpuls ( B in Figur 2), der das Ende des Zeitabschnittes T₁ angibt. Während dieses Zeitabschnittes erzeugt der Zähler 36 eine Reihe von Ausgangsimpulsen entsprechend den Zeitunterabschnitten während des Zeitabschnittes T₁ (C in Figur 2) Der von den Zähler 3U erzeugte Ausgangsimpuls (B in Figur 2) dient zun Rückstellen des Zahlers 3^ und stoppt auch den Oszillator 38.

Während des Zeitabschnittes T₁ ist das UND-Gatter Ib "freigegeben, da der Zähler 31 den Zählwert R. noch nicht erreicht hat, so daß der Flip-Flop ^2 zurückgeschaltet ist. Während des reitabschnittes T₁ fließt also der Strom I₁ durch das UND-Sitter I¹J und das ODER-Gatter 16 (E In Figur 2) in die Inteprriorschaltung 18 und erzeugt eine Ladung Q_x auf r-r Γ i"r Integrierschaltung.. Die GrSße der

Der Zeitabschnitt T₁ ist in eine ganzzahlige Anzahl von Zeit-Unterabschnitten T₁ eingeteilt, wie durch die Kurve C

in Figur 2 angedeutet ist. Wenn am Ende eines selchen Zeit-Unterabschnittes die Spannung E den Wert E₁ überschreitet, der durch den Schwellenwert 50 festgestellt wird, entsteht ein Ausgangssignal am Ausgang A des Schwellenwertdetektors, drr das UND-Gatter U* freigibt, so daß der Flip-Flop *8 eingeschalte¹; wird. Dadurch wird das UND-Gatter 22 freigegeben, und der Berugsstrom I₃ fließt in die Integrierschaltung. Da der Strom I₂ eine umgekehrte Polarität hat wie der Strom I₁, wird die Spannung E_c verringert (Kurve F in Figur 2), wodurch ein LadunRsanteil Q von-dem Kondensator C In der

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BAD OFHQJNAL

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Xp-teprierschaltung fortgen^—ren wird entsprechend:

- τ ·*
^Qr * ττ-.' — C?)

¹V

Nacnden dieser Lndunssanteil tfcg-eTflhrt !"t, wird der Kondensator C In d»r !ntegriersehnltune: 1* welter durch den otrcn I "c»3ad*n. Wenn em F.n-*e des rfchst»»n ZMt-Unter-

» N ^I* frnnr.une; F. wir^run dl* Tpannunp E, ac * '

Überschreitet, vied-rhrl*. fleh d**** V^rnr.*"¹ rhenl brnchriebene Vortrang entsprechend d«r Kurve Γ in ^ri?rur ?. Dt P^ru.p'sstron I- 1st se p^wflhlt, dn^ tv k-Ir.T Z"It wfhrend des Teltabschnirte? Tv dl" rppnrunp f, n*patIv verden knrn.

!.'unmehr sei an^enor.Ten» dnß die Tpnnnurg E_c eu Beginn des Zeitabschnittes T, c:>3ch E_? wnr und d"\* N^ I.adunp:selnhelten er.t-prerhe.Ti Q₁. v^n d-^n Kc.-lcr-^^.or ^ In der Integrier« nchaltun-ζ ]? v^hreni des Z«*ltnb?cbr1 t-.ei T,- .ihpelelft wurden, np.nr. Ist ε-.-ir.de d"H "»»itp>schnltt^rtr?-T. -'ι λ■ Γρηηηυητ Ε :

τ "*

wahrend des Zeitabschnittes T_?, der unmittelbar an den Zeitabschnitt T, anschließ*·., is* dis VND-Gatter 1*» gesperrt, so da«i der Strew I, nitht rehr in 'die ■ Int^prlers-eh^ltung fließen kann. VShrend des Zeitintervalls T^ 1st J-doch das UN'D-Gatter 2^ freigegeben, so daß der Derupisstrom I₂ noch in" die Integricrschaltun'g-fließt. Dadurch wird die Spannung E verringert, bis die Spannung E₂ erreicht 1st, die ,durch den SchwellenwTtdetektor 50 festgestellt wird. Sobald dieser Zeltpunkt erreicht 1st, wird der-'FHp-Plcp ^2 zurUckceschal- -tet, so daß der "StromfluÄ von I₂ in die Integrierschaltung lB urtorbrochen wird und der Zeitabschnitt T₂; -zu Ende ist. Die Spannung E α.τ. Ende des Zeitabschnittes T_? l3t sodar-.n E₂, so da·?» .gilt":

- ^MB^T2^T1 - ¹Z²?

C _NjkC C

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BAD ORIGINAL

Daher ist:	IA	- V	T 21I	mm	I	I2T2 =
C	NAC				C
und weiterhin
I1T1-	NBT1I2		2Ta = O
	NA

(5)

(6)

Der Zeitabschnitt T₁ wird festgelegt durch Laufenlassen des Oszilla·
Daher gilt:

des Oszillators 38 mit der Frequenz f während N₁ Zyklen.

T₁ =

In ähnlicher Weise wird jeder der Zeitunterabsehnltte von T. durch eine kleiner Anzahl von Zyklen festgelegt, wobei gilt:

^Tl = ^Nl

NT F N. ' ■ (8)

Jedesmal, wenn die Bezugsstromquelle angeschaltet Ist, 1st das Gatter 28 freigegeben, so daß der Ausgang des Zählers 32 mit einer Geschwindigkeit von F₁ > K F zählt. Daher wird während jedes Zeit-Unterabschnittes während des Zeltabschnittes T, der Ausgangszählwert N , akkumuliert zu:

N_A «Χ-

Nimmt man nun an, daß F₁ = KxF ist₉ dann gilt:

^{1 a Ol} , s

Λ ~₀

Einsetzen der Formeln 7 und 10 in die Gleichung 6 ergibt

TM WTM '

^X1^K1 - ^Β^Χ2%1 - I„T_O s O

F^ K F ^{2 2} (H)

O O

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Während'des Zeitabschnittes T₂ akkumuliert der Ausgangszähler Zählwerte mit einer Rate von F₁, da das UND-Gatter 2k freigegeben ist, so daß während des Zeitabschnittes T_ der Ausgangszählwert N _ aufläuft bis auf den Wert:

T = ^No2 '

² Ff : 0.2)

Einsetzen von Gleichung 12 in Gleichung 11 ergibt: . ¹A - WoI - ^I2^No2 =0 ₍₁₃₎

Daher:

P₀ .K F_o K

* - τ μ w ■
¹I¹¹I * ^{2 B}

Und: I_A = h

o
Also isti

^No ^VoI⁺¹W ⁽¹⁶⁾

= ¹I K N₁ ■■>,■

1 ■ ₍₁₇₎

Aus Gleichung 17 erkennt man, daß der Ausgangszählwert N_Q, der gleich N„ χ N . +N- ist, direkt proportional dem Eingangsstrom I₁ "ist, also auch proportional der,Eingangsspannung E„,. Man erkennt ferner aus Gleichung 15» daß der Ausgängszählwert N unabhängig von dem Wert des Kondensators C in der Integrierschaltung 18 ist und unabhängig von der Qszillatorfrequenz, vorausgesetzt, daß diese Parameter während der Umsetzung konstant bleiben. Daher läßt sich eine hohe Genauigkeit leicht und einfach erreichen, da keine engen Toleranzen dieser Parameter eingehalten werden müssen.

Da die maximale Spannung an dem Kondensator C der Ladung bei

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N-Vollausschlag geteilt durch _JB entspricht, ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung des Schwellenwertdefcektors 50 bei der Schaltung nach der Erfindung im Vergleich zu bekannten vergleichbaren Anälog-Digitalwandlern. Außerdem erfolgt die Umwandlung bei der Schaltung nach der Erfindung schneller im Vergleich zu bekannten Wandlern, da die maximale Dauer des Zeitabschnittes Tp durch den Paktor N_ß dividiert ist. . ΊΓ

Da die Genauigkeit der Schaltung unabhängig von der Spannung E₂ ist, läßt sich mit einer Gegenkopplungsschleife um den Schwellenwertdetektor 50 am Ende der Ablesung erreichen, daß Anfang und Ende der Messung genau bei der Spannung Ep erfolgen, so daß eine etwaige Temperaturdrift des Sehwellenwertdetektors keinen Einfluß hat«, ,

Die Schaltung nach der Erfindung läßt sich in mannigfaltiger Weise abwandeln, etwa hinsichtlich der Zählschaltungen.

Bei einer ersten Ausführungsform, die der Schaltung nach Figur 1 entspricht, akkumuliert der Zähler 36 die Zählsignale des Oszillators 38 (P₀) und legt den Zeitabschnitt. T, fest, während der Ausgangszähler 32 die Zählsignale des Oszillators 30 akkumuliert. Diese Schaltung ermöglicht eine Beeinflussung, des Paktors K, also des Verhältnisses zwischen der Frequenz F, und der Frequenz F , so daß sich demgemäß der Skalenfaktor digital beeinflussen läßt entsprechend einer nichtlinearen Beziehung zwischen der Eingangsspannung Ex, und dem Ausgangszählwert N .

Bei einer zweiten Ausführungsform ist der Wert K auf eins eingestellt, so daß F und F, gleich sind, indem zum Beispiel ein gemeinsamer Oszillator die beiden Zähler 32 und 36 antreibt . Der erste Zähler wird dabei während des Zeitabschnittes T₁ verwendet, um die Zeit-Unterabschnitte von T₁ zu erzeugen, und während der zweite Zähler die Zeit-Unter-

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abschnitt zählt und das Ende von T, nach der bestimmten Anzahl von Zeit-Unterabschnitten festlegt. Ein dritter Zähler dient zum Zählen der Anzahl von Malen während des Zeitabschnittes T,_s in der der Bezugsstrom angeschaltet ist. Dieser dritte Zähler enthält dann die Ziffern höchster Ordnung des Ausgangszählwertes. Während des Zeitabschnittes T₅ kann der erste Zähler zum Akkumulieren, der.Zählimpulse verwendet werden, bis 'die Spannung Ep erreicht ist, wobei der Zähler 3 nötigenfalls den überlauf aufnimmt. Der erste und der dritte Zähler enthalten dann den digitalen Ausgangswert. Man erkennt, daß mit dieser Ausführungsform weniger digitale Schaltungskreise erforderlich sind wegen des time sharing-Betriebes des ersten Zählers.

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Claims (3)

1. Patent an sp ruche

   (\y Analog-Digitalwandler, insbesondere für integrierte Bauweise, gekennzeichnet durch einen Impulsgenerator zum Erzeugen von Impulsreihen, durch einen Impulszähler zum Erzeugen eines digitalen Ausgangszustandes als Funktion der Anzahl der vom Eingang empfangenen Impulse, durch eine Integrierschaltung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das proportional dem Integral des Eingangssignals über die Zeit ist, durch eine Schalteinrichtung zum Einspeisen eines ersten Eingangssignals in die Integrierschaltung während eines ersten Zeitabschnittes Τγ, durch eine zweite Schalteinrichtung zum Einspeisen eines Bezugssignals in die Integrierschaltung während des ersten Zeitabschnittes sowie während eines zweiten Zeitabschnittes T₂, und durch eine mit dieser gekuppelte Schaltung zum Übertragen der Impulse des Impulsgenerators an den Eingang des Impulsträgers während des Einspeisens des Bezugssignals in die Integrierschaltung.
2. 2. Analog-Digitaiwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Bezugssignal mit gegenüber dem Eingangssignal entgegengesetzter Polarität in die Integrierschaltung (18) eingespeist wird.
3. 3. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellehwertdetektor

   -. (50) vorgesehen ist, der an den Ausgang der Integrierschaltung (18) angeschaltet ist, daß die Schaltung zum tibertragen der Impulse mit dem Schwellenwertdetektor gekuppelt ist, so daß die Impulse während des ersten Zeitabschnittes T.

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   dann und nur dann an den Wähler weitergeleitet werden, wenn die Amplitude des Ausgangssignals der Integrierschaltung (18) unter einem vorbestimmten Wert am Ende einer vorgegebenen Anzahl von Zeit-Unterabschnitten während des Zeitabschnittes T₁ abfällt.

   Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen der"Schalteinrichtung, und der Integrierschaltung eingefügte Unterbrecherschaltung zum Abschalten der Eingangssignale von der Integrierschaltuhg am Ende des ersten Zeitabschnittes

   Analog-Digitalwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Abschalteinrichtung ein Zähler zugeordnet ist zum Abschalten der Eingangssignale von der Integrierschaltung am Ende eines vorgegebenen Zeitabschnittes nach dem .Ingangsetzen des Analog-Digitalwandlers, wobei dieser vorbestimmte Zeitabschnitt dem ersten Zeitabschnitt T₁ entspricht.

   Analog-Digitalwandler nach Anspruch 3 bis 5» g e k e η η ζ ei c h η e t d u r c h eine zusätzliche, mit dem -Schwellenwertdetektor (50) gekuppelte Abschalteinrichtung zum Beenden des zweiten Zeitintervalls Tp, wenn das Ausgangssignal der Integrierschaltung eine vorbestimmte Amplitude erreicht.

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   Al

   Leers ei te