DE2348831C3 - Digital-Analogwandler - Google Patents

Description

Beim Bau elektrischer Geräte isl man zunehmend bemüht, die bisher verwendeten, mechanisch zu bestätigenden Bauelemente wie Schalter, Tasten und Drehpotentiometer durch elektronische Bauelemente zu ersetzen, die über einen digitalen Datenfluß angesteuert werden. Bei der Anwendung der Digitaltechnik ist die störungsfreie Übertragung der Daten, eine einfache Anzeigemöglichkeit und die Realisierbarkeit der notwendigen Schaltungen in monolithischer integrierter Halbleitertechnik gewährleistet.

Die Erfindung befaßt sich daher mit einem Digital-Analogwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltung ist beispielsweise notwendig, wenn ein für die Regelung von Gleichspannungspegeln notwendiges Potentiometer durch eine Digital-Analog-Schaltung ersetzt werden soll. Solche Digital-Analogwandler werden beispielsweise benötigt un. Einstellgrößen an Rundfunk-, Fernseh- und Tonbandgeräten zu verändern. Bei einem Fernsehgerät werden

beispielsweise die Helligkeit, die Farbsftttigung und die Lautstärke Ober veränderbare Gleichsptnnungspegel eingestellt

Es sind bereits mehrere Schaltungen vorgeschlagen worden, durch die die herkömmlichen Potentiometer ersetzt werden können.

Bei einer Schaltung wird die einer Gleichspannungsgröße entsprechende binäre Information in einen binärcodierten Zähler mit gewichteten Zählerstufen eingeschrieben. Jeder Zählerstufe ist ein gewichteter Widerstand nachgeschaltet, die alle auf einen gemeinsamen Summierwiderstand arbeiten. Die in den gewichteten Widerständen entsprechend dem Zählerstand fließenden Ströme werden am Summierwiderstand aufaddiert, so daß an diesem Widerstand eine dem Zählerstand entsprechende Gleichspannung abfällt Diese Schaltung hat den Nachteil, daß die Genauigkeit der verwendeten Widerstände die Genauigkeit der Ausgangsspannung bestimmt

Bei einer anderen bekannten Schaltung wird die Information über den gewünschten Spannungspege! in ein diesem Wert entsprechendes Binärwort uriigewandelt Die einzelnen Stellen dieses Binärwortes werden in jeweils eine jeder Stelle zugeordneten Speicherzelle eingeschrieben. Der Inhalt aller Speicherzellen wird wiederum über ein Widerstandsnetzwerk abgefragt wobei die Widerstandsgröße jeder Zelle entsprechend der jeweiligen Stellenwertigkeit der dem Widerstand zugeordneten Zelle gewichtet ist. Die in der. Einzelwiderständen entsprechend dem Zelleninhalt fließenden und gewichteten Ströme addieren sich dann an einem nachgeschalteten gemeinsamen Summierwiderstand, an dem so eine dem Binärwort entsprechende Gleichspannung abfällt Eine derartige Schaltung mit gewichtetem Zelleninhalt ist beispielsweise aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 15, No. 7, Dez. 72, Seite 2050 bekannt

Auch diese Schaltung hat den Nachteil, daß die Genauigkeit der Ausgangsgleichspannung von der Genauigkeit des Widerstandsnetzwerkes abhängig ist. Außerdem muß eine Schaltung vorhanden sein, in der das dem gewünschten Spannungswert entsprechende Binärwort gebildet wird. Zur Erzeugung des Binärwortes wird beispielsweise eine vorgegebene Zeit in ein dem Zeitwert entsprechendes Binärwort umgewandelt.

Bei einer dritten bekannten Schaltung wird wiederum ein Binärwort in die den Stellen des Binärwortes zugeordnete Speicherzellen eingeschrieben. Das Binärwort entspricht der gewünschten Gleichspannung. Das Binärwort wird nun in einem Komparator mit dem Inhalt eines ständig durchlaufenden Zählers verglichen. Die Stellenzahl des Zählers muß dabei der Steüenzahl des Binärwortes entsprechen. Der Zähler ändert somit seinen Inhalt mit einer relativ hohen Frequenz und schaltet auf Null zurück und beginnt erneut zu zählen, wenn der Zähler die höchstmögliche speicherbare Zahl erreicht hat Im Nulldurchgang des Zählers wird ein dem Komparator angeschlossenes Flip-Flop so gesetzt, daß an seinem Ausgang eine Spannung erscheint. Das Flip-Flop wird vom Komparator dann zurückgesetzt, wenn der Zählerinhalt mit dem Binärwort übereinstimmt. Die am Ausgang des Flip-Flop auftretende Pulsfolge wird auf einen Integrator gegeben. Da das Verhältnis der Zeit, in der am Flip-Flop-Ausgang eine Spannung auftritt, i>\ der Zeit, in der die Ausgangsspannung des Flip-Flop Null ist, dem Binärwort und damit der gewünschten Gleichspannung entspricht, gibt der Integrator diesen Gleichspannungswert richtig und unabhängig von Widerstandswerten ab, Zum Aufbau dieser Schaltung ist jedoch ein großer elektronische? Aufwand notwendig, durch den die Geräte zu sehr verteuert werden,

Ferner ist aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, VoI, 13, No. 7, Dez, 70, S, 1865/66 //66 eine dem Oberbegriff des Anspruchs I entsprechende Schaltung bekannt Bei dieser Schaltung werden jedoch im Schieberegister nur Fehlerabweichungen registriert und

periodisch über den Integrator aufaddiert, um damit die elektrische Größe korrigieren zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Digital-Analogwandler anzugeben, der einfach aufgebaut und damit billig herstellbar ist und bei dem gleichzeitig die Ausgangsgröße unabhängig von einem Widerstandsnetzwerk ist und direkt einer elektrischen Größe entspricht die um einen Mittelwert veränderbar ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Digital-Analogwandler durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip beruht darauf, daß die elektrische Größe, beispielsweise eine Gleichspannung, durch die Integration eines ständig

umlaufenden Schieberegisterinhalts entsteht Die am Integrationsglied abnehmbare Gleichspannung ist direkt proportional der Anzahl der im Schieberegister enthaltenen logischen »!«-Informationen. Die Auflösung, d.h. die Unterteilbarkeit der am Integrator

jo abnehmbaren elektrischen Größe ist allem durch die Länge des Schieberegisters bzw. durch die Anzahl der im Schieberegister unterzubringenden binären Informationen abhängig. Die Ausgangsgröße am Integrator und die Auflösungsmöglichkeit dieser Größe läßt sich leicht

3^r> in Formeln fassen. Bei einer Gleichspannung gilt:

Ausgangsspannung U₀ = — · U„

Auslösung

wobei η die Anzahl der Bits des Schieberegisters angibt und m die Anzahl der im Schieberegister in einem Umlauf enthaltenen logischen »!«-Werte bezeichnet, insist die einer logischen »1« entsprechende Pegelspannung.

Der zu integrierende Inhalt des Schieberegisters

so ergibt sich somit aus dem Verhältnis der im Register insgesamt vorhandenen logischen »1 «-Werte zu den insgesamt vorhandenen logischen »O«-Werten. Der Ausgang des Schieberegisters wird auf den Eingang des Schieberegisters zurückgeführt, so daß der Registerinhalt mit Hilfe eines SchiebetaktimpuLses ständig umlaufen kann.

Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt verschiedene Operationen. So müssen Mittel vorgesehen sein, durch die in da. Schieberegister eine alternierende

bo Folge von logischen »0«- und »1 «-Werten eingeschrieben wird. Dies ist nötig, um die Ausgangsspannung auf einen Mittelwert einstellen zu können.

Beim Betrieb eines Fernsehgerätes wird beispielsweise gewünscht, daß sich beim Einschalten des Gerätes alle verstellbaren Größen wie Helligkeit, Lautstärke und Farbsättigung, auf einen Mittelwert einstellen. Dies geschieht durch das Einschreiben der alternierenden »0«-»l «-Serie. Eine Integration dieser Serie ergibt bei

einer geradzahligen Anzahl von Bits im Schieberegister eine Ausgangsspannung der Größe

lib = 0,5 · V_n

wobei i/s die Pegelspannung ist, die einer logischen »1« entspricht Die alternierende »0«-»l «-Serie wird mit Hilfe einer ersten Kippstufe eingeschrieben.

Ferner müssen Mittel vorgesehen sein, durch die die Anzahl der im Schieberegister enthaltenen logischen »0« bzw. »!«-Werte verändert werden können, wenn die Ausgangsgleichspannung vergrößert oder verkleinert werden soll. Eine zweite Kippstufe bewirkt, daQ während der Dauer eines Eingangssignals binäre Werte im Schieberegister in einen anderen Wert umgewandelt werden. Durch die Stellung der ersten Kippstufe wird dabei bestimmt, ob »0«-Werte in »1 «-Werte oder umgekehrt »i«-Werte in »O«-Werie uingcwändeii werden sollen. Da der Änderungsbefehl unabhängig vom Registerinhalt von außen der Logik zugeführt wird, entsteht im Schieberegister ein völlig unregelmäßiges Bitmuster, das dem in einem Zufallsgenerator erzeugten Bitmuster ähnlich ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im folgenden noch anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Das Schieberegister ist mit 1 bezeichnet und weist η Bits auf. Der Registerausgang A ist über eine Logik mit dem Registereingang E verbunden, so daß der Registerinhalt ständig umläuft. Der hierzu erforderliche Schiebetaktimpuls hat beispielsweise eine Frequenz f\ von 200 RHz. An den Ausgang A des Schieberegisters ist ein Integrationsglied 3 angeschlossen, das beispielsweise aus einem Widerstand R\ und einem Kondensator Ci besteht. Am Kondensator wird dann die dem Registerinhalt entsprechende Gleichspannung Uo abgenommen. Die Steuerlogik ist mit 2 bezeichnet. Sie enthält eine mit den bekannten Verknüpfungsbausteinen aufgebaute Logik, die die noch zu beschreibenden F'jpk'jc¹"'⁵" "füllt Finp Hprartiup Steuerlogik läßt sich ohne Schwierigkeiten realisieren und braucht daher nicht näher beschrieben zu werden.

Die zwischen den Ausgang A und den Eingang Edes Schieberegisters geschaltete Logik verhindert während des Einschreibens der »0«-»l «-Serie einen Umlauf des Schieberegisterinhalts. Eine solche Logik ist dann erforderlich, wenn dem Eingang des Schieberegisters eine ODER-Verknüpfung vorgeschaltet wird.

An eine err.e bistabile Kippstufe K\ ist ein erstes UND-Glied t/, angeschlossen, das über das nachgeschaltete ODER-Glied O\ mit dem Eingang E des Schieberegisters verbunden ist. Die zweite Eingangselektrode des UND-Gliedes U\ ist an den Ausgang A\ der Steuerlogik 2 angeschlossen. An diesem Ausgang A\ steht beim Einschreiben und Verändern des Registerinhalts eine logische »1«. An den Eingang der Kippstufe Ki ist eine UND-Verknüpfung (Λ angeschlossen, an deren einem Eingang eine Taktfrequenz anliegt und deren anderer Eingang für die Anlegung eines Startsignals £2 vorgesehen ist. Die Taktfrequenz am Eingang der UND-Schaltung Ua entspricht vorzugsweise der Schiebetraktfrequenz /j. Das Startsignal wird auch der Steuerlogik (Ei) zugeführt, um das richtige Ausgangssignal an Ai der Steuerlogik auszulösen.

Der zweite Eingang des ODER-Gliedes O\ ist mit dem Ausgang eines UND-Gliedes [/3 verbunden, dessen einer Eingang über ein Negationsglied N\ gleichfalls an

den Ausgang A\ der Steuerlogik angeschlossen ist. Der andere Eingang des UND-Gliedes Ui ist mit dem Ausgang A des Schieberegisters verbunden.

Eine zweite bistabile Kippstufe Kj ist mit ihrem Ausgang an den Eingang E, der Steuerlogik 2 angeschlossen. Sie sorgt dafür, daß bei vorhandenem Eingangssignal Si an der vorgeschalteten UND-Schal tung Lh ein Binärwert im Schieberegister in den anderen, am Ausgang der ersten Kippstufe K\ erscheinenden Wert dann umgewandelt wird wenn der erste von A nach E des Schieberegisters laufende wandlungsfähige Binärwert erscheint.

Die Schaltung funktioniert wie folgt:

Beim Betätigen des Startsignals Si wird die Taktfrequenz f\ über die UND-Schaltung Ut auf den Eingang der bistabilen Kippstufe K\ gegeben. Am Ausgang von K\ erscheint dann eine Impulsfolge, deren Frequenz Eczcnübcr der veil (·. hsl^i^r· »«· li»t Startsiirnal St wird auch in die Steuerlogik eingegeben, worauf sich am Ausgang A\ der Steuerlogik eine logische »1« einstellt. Somit gelangt die Impulsfolge am Ausgang von Ki über die UND-Schaltung U\ und die ODER-Schaltung O, ungehindert zum Eingang Edes Schieberegisters. Da die Schiebetaktfrequenz /1 doppelt so groß ist wie die Frequenz der Impulsfolge am Eingang £des Schieberegisters wird in das Schieberegister eine alternierende »0«-»' '-Serie eingeschrieben. Am Ausgang des Negationsglieds Ni erscheint eine logische »0«, so daß die UND-Schaltung L/j ständig blockiert ist und die vom Ausgang A des Schieberegisters kommenden umlaufenden »!«-Informationen nicht wieder auf den Eingang E gegeben werden. Nach dem Ende des Startsignals ändert sich die Information am Ausgang A\ der Steuerlogik in eine logische »0«. Hierdurch wird das UN D-Glied U\ blockiert, während der an A\ angeschlossene Eingang am UND-Glied Uj mit einer logischen »!«-Eingangsinformation versehen wird. Somit wird die UND-Verknüpfung U} für die umlaufenden Informationen aus dem Schieberegister freigegeben, die nun ungehindert vom Ausgang A über das ODER-Glied O, zum Eingang ^gelangen.

Eine Änderung des Registennnaits wird über das Startsignal St am UND-Glied Lh ausgelöst. Gleichzeitig wird die Kippstufe K\ so gesetzt, daß an ihrem Ausgang die Information auftritt, die anstelle der anderen bisher vorhandenen Binärinformation in eine oder mehrere Speicherzellen des Schieberegisters eingeschrieben werden soll.

Wenn beispielsweise an der Kippstufe K\ R = 1 und S=O gesetzt werden, erscheint am Ausgng der Kippstufe eine »0«. Dies bedeutet, daß eine oder mehrere »!«-Informationen im Schieberegister durch diese »0« ersetzt werden solL Bei R = 0 und S = 1 entsteht am Ausgang der Kippstufe eine logische »1«, die im Register enthaltene »0«-Werte ersetzen solL

Bei einer Betätigung des Startsignals St und einer gewünschten Setzung der Kippstufe K\ wird an den Eingang der Kippstufe K2 ein Taktsignal mit der Frequenz /3 über das durchgeschaltete UND-Gatter L^ angelegt Die Frequenz /3 ist beispielsweise nicht größer wie der n-te Teil der Schiebetaktfrequenz f\ (n = Bitzahl des Registers). Auf diese Weise wird pro Registerumlauf höchstens ein Wen im Schieberegister geändert

Bei vorhandenem Startsignal Si gibt die Kippstufe Ki eine Impulsfolge an den Eingang der Steuerlogik ab. Gleichzeitig wird die umlaufende Information des Schieberegisters über den Eingang Ei von der Steuerlo-

gik abgefragt. In dem Augenblick, wie die erste änderungsfähige Information umlauft, erscheint am Ausgang A\ der Steuerlogik eine logische »1«, die das UND-Glied U₁ freigibt, so daß die am Ausgang von K₁ anstehende Information über das ODER-Glied O\ auf den Eingang fdes Schieberegisters gelangen kann. Eine umlauft«Je logische »1« wird, wenn an ihrer Stelle eine logische »0« eingeschrieben werden soll, durch das UND-Gatter Ui abgeblockt, so daß die am Ausgang des UND-Gliedes U\ stehende »0« eingeschrieben wird. Nach dem Umwandeln der ersten wandlungsfähigen Information wird die Kippstufe Ki über die Rückkopplungsleitung vom Steuerlogikausgang Ai zurückgesetzt, so daß erst durch den nächsten Impuls wieder eine weitere Änderung im Schieberegister vorgenommen werden kann. Beim Zurücksetzen der Kippstufe Ki erscheint am Ausgang A\ der Steuerlogik wieder eine iuglbLMC »0«, uic den Umlauf des SCn'icucrcgiäicrifiiiäiiS freigibt und das UND-Glied U\ blockiert. Die Umwandlung einer »0« in eine »1« erfolgt auf die gleiche Weise.

Die geschilderte Schaltung kann aus bipolaren Bauelementen oder aus Bauelementen, die nach der bekannten MOS-Technologie aufgebaut sind, bestehen, Beim Einsatz von MOS-Transistoren können sowohl statisch als auch mit Taktimpulsen dynamisch betriebene Baugruppen verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann besonders dann rationell eingesetzt werden, wenn an eine Steuerlogik mehrere Schieberegister mit der zugehörigen Elektronik angeschlossen sind. Mit mehreren Schieberegistern lassen sich über die gemeinsame Steuerlogik beispielsweise die Helligkeit, die Lautstärke und die Farbsättigung eines Fernsehgerätes einstellen Jeder dieser Größen ist der integrierte und veränderbare Inhalt eines Schieberegisters zugeordnet. Neben der bereits genannten Benutzungsmöglichkeiten kann die erfindungsgemäße Schaltung auch zur Regelung eines aüiuiMämCricf! ocfiucräüCiiiäiiiS, ZuF rvTiäicücruPig VOiI Servomotoren oder zur Helligkeitsregelung von Lampen verwendet werden.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (14)

1. Patentansprüche;

   t, Digital-Analogwandler zur Einstellung und Veränderung elektrischer Größen mit einem Schieberegisterund einem nachgeschalteten Integrationsglied, mit dem der analoge Wert der elektrischen Größe durch Integration des digitalen und umlaufenden Schieberegisterinhalts hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste logische Schaltung (K{) vorgesehen ist, über die in Verbindung mit einer Steuer-Logik (2) in das Schieberegister eine alternierende Folge von logischen »0«- und »lÄ-Werten, die einem definierten Mittelwert der elektrischen Größe entspricht, eingeschrieben und erhalten wird, daß über diese Steuerlogik mit Hilfe einer weiteren vorgeschalteten Logikschaltung (K₂, Ch) der Inhalt des Schieberegisters und «iujiit die digital umgesetzte elektrische Größe veränderbar ist, deren Wert sich aus dem Verhältnis der im Schieberegister insgesamt vorhandenen logischen »1 «-Werten zu den insgesamt vorhandenen logischen »0«-Werten ergibt, und daß ein Schiebetaktimpuls (fi) vorgesehen ist, durch den der Schieberegisterinhalt durch Umlauf bis jeweils zur Auslösung einer Änderung erhalten bleibt.
2. 2. Digital-Analogwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Größe eine Gleichspannung ist
3. 3. Digital-Analogwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die erste logische Schaltung (K₁) bei;d Einschreiben der alternierenden »0«-»1«-Cerie auf den Eingang (E) des Schieberegisters eine Imp; isfolge (f₂) auftritt, deren Frequenz halb so groß ist wie die Schiebetraktfrequenz (ft).
4. 4. Digital-Analogwandler nach Anpsuch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte logische Schaltung (S\, Ui) vorgesehen ist, durch die während des Einschreitens der alternierenden »O«-»1«-Serie der Umlauf des Schieberegisterinhalts verhindert wird.
5. 5. Digital-Analogwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der ersten Kippstufe (Ki), die eine Impulsfolge mit halber Schiebetakt- frequenz abgibt, ein erstes UND-Glied (Ut) angeschlossen ist, das über ein nachgeschaltetes ODER-Glied (Ot) mit dem Eingang (E) des Schieberegisters verbunden ist, daß die zweite Eingangselektrode des UND-Gliedes (Ut) an den Ausgang (At) der Steuerlogik (2) angeschlossen ist, der beim Einschreiben und Verändern des Registerinhalts eine logische »!«abgibt.
6. 6. Digital-Analogwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Eingangselektrode des ODER-Gliedes (Ot) mit dem Ausgang eines zweiten UND-Gliedes (Ui) verbunden ist, deren einer Eingang über ein Negationsglied (Ni) gleichfalls an den Ausgang (At) der Steuerlogik angeschlossen ist, während der andere Eingang mit μ dem Ausgang (A) des Schieberegisters verbunden ist
7. 7. Digital-Analogwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine über eine Eingangslogik angesteuerte zweite Kippstufe (K₂) vorgesehen ist, die an den Eingang (Et) der Steuerlogik derart angeschlossen ist, daß bei vorhandenem Eingangssignal die Steuerlogik bei gewünschter Umwandlung eines binären Wertes im Schieberegister in den anderen, am Ausgang der ersten Kippstufe (K\) erscheinenden Wert die Umwandlung beim ersten umlaufenden, wandlungsfähigen Wert auslöst
8. 8. Digital-Analogwandler nach Anspruch 7, dadurch: gekennzeichnet, daß die Rückführungsleitung des Schieberegisters an die SteuerloQk (E2) angeschlossen ist und daß die Steuerlogik mit der zweiten Kippstufe (K₂) derart verbunden ist, daß nach der Umwandlung eines Speicherwertes die Kippstufe zurückgesetzt wird.
9. 9. Digital-Analogwandler nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Betrieb der zweiten Kippstufe (K₂) gewählte Taktfrequenz (/3) des Eingangssignals nicht größer ist wie der /Ke Teil der Schiebetaktfrequenz, wobei in der Zahl der im Schieberegister enthaltenen Informationen entspricht, so daß pro Registerumlauf höchstens ein Wert im Schieberegister geändert wird.
10. 10. Digital-Analogwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß π geradzahlig ist
11. 11. Digital-Analogwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Schaltung mit MOS-Transistoren aufgebaut ist die entweder statisch oder dynamisch betrieben werden.
12. 12. Digital-Analogwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß mehrere, aus jeweils einem Schieberegister mit zugehöriger Elektronik bestehende Kanäle vorhanden sind, die über eine Steuerlogik angesteuert werden.
13. 13. Digital-Analogwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Regelung der Bedienungsfunktionen elektrischer Geräte, zum automatischen Sendersuchlauf, zur Ansteuerung von Servomotoren oder zur Helligkeitsregelung von Lampen.
14. 14. Digital-Analogwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Regelung der Helligkeit der Lautstärke, des Kontrastes oder der Farbsättigung von Rundfunk- bzw. Fernsehgeräten.