DE2350802A1

DE2350802A1 - Analog/digital-umsetzer

Info

Publication number: DE2350802A1
Application number: DE19732350802
Authority: DE
Inventors: Thomas J Harrison; George A Hellwarth; Richard C Jaeger
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-10-11
Filing date: 1973-10-10
Publication date: 1974-04-25
Also published as: IT993088B; CA1003112A; FR2203227B1; US3859654A; JPS4974471A; FR2203227A1; GB1382217A

Description

Böblingen, den 9. Oktober 1973 ne/se

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: BC 971 008

Analog/Digital-Umsetzer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog/Digital-Umsetzer zur Umsetzung unbekannter bipolarer Analogsignale, so daß die umgesetzten Signale durch ein Datenverarbeitungsgerät verarbeitet werden können. Die Erfindung ist anwendbar auf das Abtasten einer großen Vielfalt unbekannter Analogsignale jeder Polarität, wie sie am Ausgang eines Multiplexers erzeugt werden und auf das Umsetzen jedes dieser Abtastsignale in eine digitale Darstellung für einen verhältnismäßig großen Bereich.

Es sind verschiedene Wege zur Umsetzung von Analogsignale in ihre digitalen Darstellungen bekannt. Einige dieser Verfahren arbeiten nach dem Konzept der schrittweisen Annäherung, bei dem eine Folge logischer Entscheidungen dazu dient, die Differenz zwischen Bezugsspannungen und der unbekannten Signalspannung zu verringern. Durch die Analog/Digital-Umsetzung mittels schrittweiser Annäherung lassen sich verhältnismäßig genaue Umsetzungsergebnisse erzielen, aber es ist dazu ein komplizierter und teurer Schaltungsaufbau notwendig.

Ein anderes Verfahren ist die Analog/Digital-Umsetzung mittels Integration, wie sie in dem im Januar-Heft 1963 des IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN auf den Seiten 51 bis 52 veröffentlichten

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Artikel "Analog to Digital Converter" von C. H. Propster beschrieben ist. Obgleich dieser Analog/Digital-Umsetzer nicht so aufwendig ist wie ein Umsetzer mit schrittweiser Annäherung, arbeitet er doch beträchtlich langsamer. Verbesserungen, die die Arbeitsgeschwindigkeit auf Kosten einer etwas größeren Komplexheit der Schaltung erhöhen, sind in den US-Patenten 3 577 710 und 3 733 600 beschrieben.

In dem November-Heft 1963 der Zeitschrift Proceedings of the IEEE ist auf den Seiten 1524-1535 in dem Aufsatz "A Unity Bit Coding Method by Negative Feedback" von Inose et al ein Codierverfahren beschrieben, das auch als Delta-Sigma-Modulation bezeichnet wird. Diese Art der Modulation eines Analogsignales zu einer digitalen Darstellung besitzt die Eigenschaft, daß jede Binärziffer oder jedes Bit der Information gleichgewichtet ist. Keine wirkliche Analog/Digital-Umsetzung in eine binärcodierte Zahl wird ausgeführt, um die Größe einer Abtastprobe des Eingangssignals darzustellen. Statt dessen hat kein Ausgangsbit irgendeine direkte Verbindung mit dem Eingangssignal, sondern muß weiter mit vielen anderen summiert werden, um einen Mittelwert zu bilden, der das Eingangssignal darstellt. Da bei diesem Verfahren kein periodisches Abtasten des Eingangssignals erfolgt, arbeitet der Delta-Sigma-Modulafcor kontinuierlich.

Es besteht ein Bedürfnis nach einer Analog/Digital-Umsetzerschaltung, die die Umsetzung bei verhältnismäßig niedrigen Kosten, aber mit einem hohen Grad an Genauigkeit vornehmen kann. Dies bedeutet, daß der Analog/Digital-Umsetzer aus Komponenten aufgebaut werden muß, die billig sind und daher große Toleranzwerte bei der Herstellung und im Betrieb aufweisen. Um eine Schaltung mit geringen Kosten zu erhalten, muß sie unabhängig von aktiven Elementen wie integrierenden Verstärkern sein und auch unempfindlich gegenüber Änderungen der Komponenten. Die hohen Kosten, die Driftempfindlichkeit oder andere Beschränkungen der Analog/Digital-Umsetzerschaltungen nach dem Stand der Technik stellen häufig unannehmbare Nachteile dar.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verhältnismäßig billigen, aber genau arbeitenden Änalog/Digital-Umsetzer anzugeben, der unbekannt® bipolare Analogsignale in digitale äusgangssignale umsetzt durch Vergleich des unbekannten Eingangssignals salt einer modulierten Besugsspannung während eines festen Zeitintervalls.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Änalog/Digital-Umsetzsrs zur Umsetzung unbekannter bipolarer Analogsignale gelöst, der durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist?

a) eine Spannungsquelle für eine positive und eine negative Bezugsspannung,

b) eine Vergleichsschaltung, deren Ausgangssignal die Differenz der ihr zugeführten Signale anzeigt,

c) eine an die Vergleichsschaltung angeschlossene Schaltvorrichtung, die abhängig von der Polarität des Vergleichsergebnisses ein Bezugssignal durchschaltet, dessen Polarität der des Vergleichsergebnisses entgegengesetzt ist,

d) ein Netzwerk, über welches das Analogsignal und das Ausgangssignal der Schaltvorrichtung der Vergleichsschaltung zugeführt werden, so daß mindestens eines von deren Eingangssignalen einem akkumulierten zeitlichen Mittelwert entspricht und

e) eine Meßvorrichtung zur Ermittlung der Zeitdauer, während der zumindest eine der Bezugsspannungen dem Netzwerk während eines vorgegebenen Zeitintervalls zugeführt wird.

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Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung bevorsuc^rter Äusführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert, von denen zeigen?

Fig. 1 · ein Blockschaltbild eines Analog/Digital-Umsetzers

gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein etwas genaueres Blockschaltbild,

Fig. 3 ein 2eitdiagramm, das die Wirkungsweise der

Schaltung nach Fig, 2 erläutert,

Fig. 4 eine Anordnung nach Fig. 2 für Zeitmultiplexbetrieb,

Fig. 5 eine andere Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Schaltung zum Erzeugen und Umschalten der

Bezugsspannung _f

Fig. 7 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles,

Fig. 8 Sieitdiagramme, die die Wirkungsweise der Schal

tungen gemäß den Fign. 5 oder 7 für verschiedene Fälle eines unbekannten analogen Eingangesignals darstellen, und

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Analog/Dirital-ün-

setzers, der ähnlich den in den Firm. 5 und 7 dargestellten Umsetzern aufgebaut ist.

Das allgemeine Blockschaltbild eines Umsetzers gemäß der Frfixidunc ist in Fig. 1 dargestellt. Unbekannte Analogsignale VX positiver oder negativer Polarität werden einer Vergleichsschaltung 10 über ein den Mittelwert bildendes Netzwerk 12, im folgenden kurz als

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Mittelwert-Netzwerk bezeichnet, zugeführt. Eine bipolare Bezugsspannungsquelle 11 wird über eine Polaritäts-Abfühlschaltung 13 und einen. Schalter 14 als Punktion der Polarität des Äusgangssignals der Vergleichsschaltung 10 umgeschaltet. Beispielsweise veranlaßt ein positives Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 10 die Polaritäts-Abfühlschaltung 13, wenn dieser ein Abtastimpuls zugeführt wird,- den Schalter 14 so einzustellen!, daß als Ausgangssignal eine negative Bezugs spannung erzeugt wird, die als anderes Eingangssignal dem Mittelwert-Netzwerk 12 zugeführt wird, und das andere Eingangssignal der Vergleichsschaltung IO darstellt.' Die bipolaren Bezugsspannungsquellen liefern vorzugsweise Spannungen bekannter fester Größe. Daher wird die Polarität des festen Bezugssignals von der Spannungsquelle 11 zu jedem Abtastseitpunkt umgeschaltet? der auf eine Polaritätsänderung des Ausgangssignals der Vergleichsschaltung 10_ folgt,, wobei diese Poiaritätsänderungen eine Funktion des Vergleichs der über das Mittelwert-Netzwerk 12 rückgekoppelten Spannung und der unbekannten, analogen Eingangs™ spannung VX sind. Wie aus der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie in. den Fign» 2, 5 und 7 dargestellt sind, noch ersichtlich werden wird, kann das Mittelwert-Metswerk 12 so entworfen werden? daß es irgendeine von mehreren möglichen Kombinationen der beiden Eingangssignal© der Vergleichsschaltung 10 lieferte Beispielsweise könnte das Ausgangssignal des Netzwerkes 12 sein (1) der Mittelwert der Rückkopplungsbezugsspannung und der Spannung VX direkt, (2) das Rückkopplungsbezugssignal direkt und der Mittelwert von VX, oder (3) der Mittelwert einer Suiranierung des Rückkopplungs-Bezugssignals mit VS und einem festen Signalpegel_f wie beispielsweise Masse. Wie auch später ersichtlich wird, kann das Netzwerk 1-2 aus verhältnismäßig einfachen Kopp lungs- und/oder Tiefpaßfilter-= elementen, aufgebaut sein»

Während ©lass festen Äfotastlntervalis, das durch in Figd nicht dargestellte Mittel definiert wird, wird ein 2ähler 15 durch Impulse eines kontinuierlich arbeitenden Takgebers während der festen Äbtastintervalle fortgeschaltet, in denen eine der bi-

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polaren Besugsspearaingsquelleii- rait der? Mitteli-rerfc-Netzwerk 12 verbunden Isfc. £m Ende des festen £fotastIntervalls liefert der Zähler 15 ein ausgangssignal_f das der binärverschlüsselten digitalen Darstellung der unbekannten Analocreiriganc^sspanimnr* entspricht^ die in &sr* betreffenden "eitintervall abgetastet vrird. Für eine Schaltung --.ach Fi^. 2 wird an^enoirsinen, da P der Zähler nur darm, arbeitst_r wenn die positive Besucissparmungsquelle angeschlossen. ist_? aber sr könnte auch arbeiten* wäh'rend die negative Beaugsspsnntmg angeschlossen ist. Eine andere Alternative besteht, darin_y zwischen zwei verschiedenen Sählerstufen um zuschalten_r deren sine zählt,- wKhiren die pcsiti"^re Eezucsspannunc angeschlossen Let ηΐΐΛ asrssi anösre sählt_ff wenn die netativs Begugsspc-nsimc; sagsfülirfc wird_r se äsiB beids Wahlergebnisse zusammen ei ti®!·⁵ veils fcSaSirjsi" IsAsrvell satspreohsn.

Da es bskaanc ist,; ΐ"Χ£ ^iels TEktinvpuilss "wSl-rsnl des festen ^eit inteirvalls s^ifgstrsusri ssin sollen_f is. g-sf? die Probe ^enoFT^en '-^?ti δβ;? ist Q.B.E :Lm SHhlsr 15 ss EMs £se i-btastintervalls enthaltene gebriis proposrtional 2rr; Größe der ^inbskazmfcsn Eingangsspan il_r 'KrorsL-ss^'BB'a-tvs. .·· CsiS die icIhluK.^ ""Eiirend des inschlnsses der Bss'ag"Espanrit.rrig£^u-3ll3 ir.i-> dor rlsLti^sa Polarität erfolgte. Wiir-Ti ι^-ί SfJi-ViIr^ ,ir=·¹.",'·-'?''. .'7"ΐ- T-'.-i —■■■" γ" ν (ϊ Pe.^TTfro^n.P.rn-PFCSCael 1° wi*·

hc.lt.Siis digitals SSIilSicr-äbnis d«.s aeqatiT'ä tmbskannts ü.nalogeingangssignäl ?3ΐ dar und das ist sti beaoErsüj- wenn, das erhaltene

wird „

F'ic⁷! 2. zsicfe si.ii 'Sfc^&s csriS-sisirss Blociiß'Cih.'Sltbild sinss bsispisles eise Ssalo^/Digits.I-u'iusstsers ο DIs "n,fcs!-aa;ite SpKnimng bsliebigsr PoiaritSt w^Tird si^e^ Eingang sinar 'JercfleichsschaltunT·' 2^ zugeführt und Kit dar Spsnminc- TF eines I-Condsnscitors 25 ^erglieh~n. In atcfeLriandsrfclgsKdeEt !Tsic-iseitsn. ^iird das Rnsgancssxgnsl der Vergleiakersciiaittcig fit;rchgeschaifcet und dient dazc₇ eii-sn Schalter su stsueriiy dsr eine von stfei gleicheri Bssugsgpsnntingsn VF oder ~VR auswählt. Diese EsssigsspaEna&f ifird ©inss iisfnaß-Filtsrnetzwerk

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zugeführt, das aus den Widerständen 22-24 und äetr- Kondensator 25 besteht, an dem die vorher erwähnte Spannung VF entsteht. Die Messung der unbekannten Spannung VX beginnt mit dem Durchschalten des Taktsignals 26 zum Zeitgeber 27 über die Torschaltung 28 nach dem Erscheinen des Startsignals, welches, wenn das erwünscht ist, auch dazu benutzt werden kann, um den Zeitgeber 27 und den Wähler 29 rückzustellen. Der Zähler 29,, dem die Taktimpuise über die Torschaltungen 28 und 3O zugeführt werden, zählt die Anzahl der Zeitintervalle HG, in denen der Schalter 21 mit der positiven BezugsSpannung verbunden ist. Der Seitgeber 27 bestimmt das Grundseitintervali, das 2 " ZähüE»pulsen für einen bipolaren Umsetzer mit einer Auflösung von Έ Bits und einem Vorzeichenbit entspricht» Die unbekannte Spannung VX X'Jird dann bestimmt aufgrund der Gleichung

to . VR

C2^N

wobei gilt

< <
O = HC "

Das Signal VX könnte ebenso bestimmt werden durch ©iai© Formel, indem der Zähler 29 dazu benutst wird, die SnsaM. &sz Zeitintervalle zu zählen, in denen der Schalter 21 mit der negativen Bezugsspannung verbunden ist. Mit dem Ende des vorgewählten Zeitintervalls, das 2 ^l --Taktimpulsen entspricht und durch den Seitgeber 27 definiert wird, kann der-binärverschlüsselte Inhalt des Zählers 2S über die Torschaltungen 31 ausgegeben werden. Das Zählen der Taktiapulse endet, wenn der Zeitgeber-beim Fortfallen des Startsignals rückgesetzt wird und damit die Torschaltung 28 gesperrt wird. Ein Beispiel der Spannungsverläufe bei einer positiven Eingangsspannung VX ist in Fig, 3 dargestellt. Aus dieser Figur ist zu ersehen, daß jedes Mal, wenn der relative Unterschied zwischen VX und VF die Polarität wechsel, die Besugsspannung durch den nächsten Taktimpuls umgeschaltet wird. D. ho immer wenn VF 'den Wert von VX überschreitet, stellt der Vergleicher eine negative

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Differenzspannung fest und schaltet auf die positive Bezugsspannung um, Wenn umgekehrt der Wert von VF kleiner als VX ist, liect eine positive Differenzspannung vor und die negative Bezugsspannung wird eingeschaltet. Die Schaltung versucht daher ständig die Differenz-Eingangsspannung der Vergleichsschaltung zu Null zu machen, kann aber wegen der Größe der Bezugsspannung tatsächlich keinen Nullzustand erreichen. Aus der Fig. 3 ist auch ersichtlich, daß die Anzahl der Taktimpulse, die durch den Zähler 29 gezählt. werden, beim Anliegen der positiven Bezugsspannung größer ist, als beim Anliegen der negativen Bezugsspannung, was sowohl die Polarität als auch die Größe von VX widerspiegelt. Es sei bemerkt, daß die Schwankungen '/on VF zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Erfindung in Fig. 3 übertrieben groß dargestellt sind_f verglichen mit einem Kurvenverlauf, der tatsächlich auf einem Oszilographen zu beobachten ist. In einer" typischen Fall, in dem VR 5 Volt-beträgt, würden die Schwankungen von VF ungefähr 5 Millivolt betragen.

S¹Ig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Anordnung gemäß der Erfindung für den Fall, daß mehrere Vergleichsschaltungen 4QA 4ON und Bezugs net swerfee 41Ά - 4IH vorhanden sind, wobei der Zeitgeber 42 und der 'Zähler 43 über eine Wählvorrichtung 44 vielfach ausgenutzt werden, um die unbekannte Spannung an einem gewünschten 3inc?ang zu bestimmen. Wie vorher erwähnt, wird d.er Messbereich des Umsetzers bestimmt durch die Spannung VR. Die Verstärkung kann durch lindern der Spannung VR erreicht werden oder durch Auswahl eines geeigneten Dämpfungsglieäes, wie es in Fig. 2 durch die T7i~ derstände 22-24 des Rückkopplungsnetzwerkes gebildet wird. Jedes der Bezugsnetzwerke 41A - 4IH schaltet unabhängig zwischen den zugeordneten Bezugs spannungen um als Funktion der Polarität des Ver·- gleichsergebnisses der entsprechenden Vergleichsschaltung 4OA 4OM und der Impulse der Taktgeber 45A - 45N. Durch bekannte Multiplexverfahren wird das umzusetzende Eingangssignal durch die Wählvorrichtung 44 ausgewählt und der Torschaltung 47 zugeführt. In Koordination mit dem Auswählen des Eingangssignals setzt das Start signal den Zeitgeber 42 und den Zähler 43 rück und schaltet die Tor-

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schaltung 48 durch, um mit dem Obertragen von Taktimpuls en zum Pleitgeber 42 und über die Torschaltung 4? zum Zähler 43 zu beginnen, wobei das digitale Uir.setzungsergebnis über die Torschaltung 50 zum binären Ausgang übertragen wird, im wesentlichen in der Weise, die in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. In dieser Weise kann jeder der Schaltungsteile 4IA - 4IN zur Zuführung der Betriebsspannungen fortlaufend in Betrieb sein, wodurch eine größere Stabilität der Betriebsweise gegeben ist.

Es sei bemerkt, daß zu Beginn eine Fehlerquelle vorliegt, wenn die Spannung Vl' einen von Null verschiedenen Wert aufweist und der Schaltung zugeführt wird, ohne daß eine passende Ladung auf dem Kondensator vorhanden ist, der das Eingangssignal W der Vergleichsschaltung zuführt. Dies bedeutet in eimern Fall wie er in Fig. 3 dargestellt ist, in dem eine große positive Spannung VX su Beginn zugeführt wird, daß die Kondensatorspanmmg VF ψοώ, 'Hull an ansteigt , bis die Spannung VF die Spannung FX ilfoerscMreitet. Beim nächsten Taktimpuls wird die negative Be stags spannung in den Rückkopplungspfad eingeschaltet, aber ein Teil des anfänglichen An-steigs der Spannung VF kann einen verhältnismäßig großen Fehler darstellen in der Gesamtzahl der Taktimpulse, die t-jährend des Umsetzungssyklus gezählt werden. Der ständige Betrieb der verschie- denen Vergleichsschaltungen 4ΟΆ - 4ON bei einer Anordnung für Multiplexbetrieb nach Fig. 4 hat den Vorteil„ daß dieser Anfangsfehler" entfällt. Selbst bei einem Kondensator mit der Ladung Hull kann in einer Schaltung nach Fig_o 2 der im schlimmsten Fall vorhandene Fehler leicht bestimmt werden aus der Größe der Besugsspannung, dem Wert des RC-Netzwerkes und der Auflösung des Uissetsers (d„ h. der Zeit, um den. Kondensator auf eine Spannung su laden? die*.dem nie~ derwertigsten Bit von VK entspricht).. Daher kann die Dauer der Betriebs zeit des das Abtasten steuernden Seitgebers so eingestellt werden, daß die Bedeutung des Fehlers auf einen asmehmharen Pegel reduziert wird. Wenn größere Genauigkeit erwünscht ist_p können boolesche Schaltungen verwendet werden um festzustellen,, daß zumindest, eine oder zwei Bezugsspamiungsumschaltongen nach dem Empfang des- Startsignals stattgefunden haben„ bevor äas Durchschal-

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ten der Taktimpulse zur- Zeitgeber und suit Zähler freigegeben wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Feststellen einer Folge von zwei änderungen der Polarität des Ausgangssignals der Vergleichsschaltung 20 dazu zu benutzen,, ur sowohl d'Bxi Zeitgeber 27 als auch den Zähler 29 rückzusetzen.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Anordnung eines Analog/Digitai-ÜFsetzers. Die unbekannte Spannung VX wird der. einen -Eingang des Summier- und Filternetzwerkes 55 zugeführt/ das aus den Widerständen. 5β-57,,ιιηά dem Kondensator 5? besteht. Eine ausgewählte Bezugsspannuiag. von. positiver oder necrativer Polarität wird dsra zweiten Eingang des Netzwerkes 55 zugeführt. Das Ausgangs signal des Netzwerkes wire. In der Vergleichsschaltung 59 F¹It dem Erdpotential des ÄaalGg/Digitai-ümsetzers verglichen. In jeden nachfolgenden Ss£tinter"?£ll viirä das axes gangs signal der Vergleichs schaltung dein Flip-flop GO Eingeführte üiiid dasui benutzt, den Schalter 61 umzuschalten ρ clsr eins der bei^sa Polaritäten +VH oder -VR des BeE'-igspoterrfcieils auswählt.

Die Messung vor ΎΖ h&zrLrezdc, saife ama Startsignal _ρ äas äie Torschaltung 62 vorbereitetr hei das Tsiktslgus.! aer; Zeitgeber 63 zuzuführen» In der Anordnung nach FIg= 5 oscillisrt die Spannung des Kondensators 58, UiK äsn Hullpegsl ίΐ-λ Gsgsasats sn der Anordnung nach Fig. 2 _c wo die Kondensatorspanriung wyi dia SparMHing ¥J? ossiliert. Dies ist ersichtlich durch Vergleich der F-Ig₅ 3, die die ilirkungsweise der Schaltung nach Fif. 2 aarstsllt nit äsi: Fig. B_ff die die Wirkungsweise der Schaltu&geE. nash d@n Figa= 5 isrid 7 wiedergibt» Deiugemäß zählt der lafclsr 64 der Fig. 5_f äsin die Taktiinpulss Bher die durch die BeztigsspariKiBi©· '/orber®.Itets TOrschalfcu&g 63 angeführt werderiji die Anzahl der Seitinter^£lle_y in denes eier Schalter 61 mit der negativen Bes^gsspsiEisiBBg v^rsrbiiii.ces ist.» Der Feitgeber 63 setzt das Grundseifclntsrvell fest siirspreefceEd 2"" Sähliingsn für einen bipolaren IMsetzex" nit einer Auflösung "ran T-T Bits plus äeir Vorzeichen. Die Spsnnung ¥Σ wird daan aialiand derselben Gleichung, die in Verbindung mit Fig. 2 erwähnt wurde, bestimrt^ in der ITC die an Ende des Grundzeitintervalls in deis Zähler €4 -joraandene

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Zahl ist. Diese Zahl kann über die Torschaltung 66 dem Datenverarbeitungsgerät zugeführt .werden«, Wenn die Widerstände 56 nnd 57 nicht den gleichen Wert aufweisen, dann muß die Berechnung der Spannung VS gemäß der vorher erwähntea Formel mit deir Pak tor R1/R2 multipliziert werden, in der Rl der Wert des Widerstandes 56 ηηά R2 der Wert des f^iderstandes 57 ist»

Der Schalter S7 wird zu Beginn des ümwandlungsIntervalls geöffaet und am Ende geschlossen. Dieser Schalter sorct for eine bekannte Anfangsbedinguna_f etwa ο Spannung auf dem Kondensator 58 nnü ermöglicht den unmittelbaren Beginn des Umwandlungszyklus« Das Anlegen der Spannung VK direkt an das Netswerk 55 und das Hinauf lägen des Schalters S7 ermöglichen es dem umsetzer, ohne eisen Anfangs Intervall zu arbeiten und der Umsetzer ist für einen tvollen !lulfciplexbetrieb geeignet«,

Fig» 6 zeigt eine umschaltbar© Begugsspannungsquelle_o Eine dioae 70 wird won zwei Stromquellen 71 und 72 gespeist und liefert eine gleitende Be sags spannung» Die komplementären bipolares T^asisistoren 73 und 74 sorgen für ©la sc5ha©ll©s Sjaascfeal-fcisa -jsfiQS" Saite der Sehnerdiode an. das Erdpotsatial bmi aieärlf©i? niedriger Offsetspannung. Die Bezugsspsaauagsa -WR dann am Verbindungspunkt sweier gleicher Widerstände 15 w&ü 7i erhalten, deren Serienschaltung parallel ^ur Sehnerdiode liegt. Biese beiden Widerstände sind die einsigen für desi Aaalog/Bigital-IM-setzer erforderlichen Präzisionsbata-telle _o D₀ h_0!, daß ö^r Äiaalog/Di gital-Umsetzer in x-jeitestem umfang aus digitalen Schaltungen aufge baut ist und die Verwendung von Präsisionsbauteilen auf ein Mindestmaß begrenzt ist.

Wie bei der Erläuterung der Schaltung nach Fig., 5 erwähnt wurde, bilden der Kondensator 110 und die Widerstände 75-76 den Mittelwert der ausgewählten Bezugsspannung, die irdt der Spannung VX in der Vergleichsschaltung 77 verglichen wird, vorausgesetzt daß der Schalter 78 nicht betätigt wirö„ Das Feststellen eines Polaritätswechsels resultiert dann in der Betätigung des Treibernetzwerlces

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79, um entweder den Transistor 73 oder 74 auszuwählen.

In Fig. 7 sind verschiedene Änderungen der vorher beschriebenen Schaltung nach der Erfindung dargestellt. Beim Betrieb dieses Analog/Digital-Umsetzers wird die Spannung des Kondensators Sl in dem Netzwerk 80 unmittelbar vor dem Umsetzungszyklus durch Schließen des Schalters 82 zu Null gemacht und bleibt ungefähr Null während des Zyklus. Dies ermöglicht es, daß eine echte Integration oder Mittelwertbildung von VX und der Bezugs spannung während der Umsetzung erreicht wird ohne Hinzufügen eines aktiven Integratorverstärkers, da die Ströme durch die Widerstände P3-P5 nicht von einer sich ändernden Kondensatorspannung beeinflußt werden. Das Auswählen des Schalters 86 steuert die Dämpfung der Bezugsspannung wie das früher erläutert wurde. Außerden bedeutet die Tatsache, daß der Pilterkondensator 81 gemeinsam ist für die Unbekannten und die Bezugsspannungen, daß seine Kapazität die Genauigkeit der Umsetzungen nicht beeinflußt.

Die Vergleichsschaltung 88, das der Polaritätsfesteilung dienende Flip-flop 89 und der Schalter 90 für die Bezugs spannung arbeiten im wesentlichen wie vorher erläutert. Auch das Eintreffen des Startsignals betätigt die Torschaltung 91, um Taktimpulse dem Seitgeber 92 und der Torschaltung 93 zuzuleiten, die in diesem Fall durch das Ausgangssignal des Flip-flops 89 vorbereitet wird, das über den Schalter 90 die negative Bezugs spannung VR auswählt. Das gleiche Startsignal setzt den Zeitgeber 92 und den Zähler 94 rück, während das Ende des Zeitgeberintervalls die Torschaltung 91 sperrt und das übertragen des Inhaltes des Zähler 94 als digitales Ausgangssignal über die Torschaltungen 95 veranlaßt.

Der Einfachheit halber kann die anfängliche Polarität der angelegten .Bezugs spannung VR für die Schaltungen nach den Fign. 5 oder 7 die gleiche sein, da eine maximale Unklarheit einer Zählung daraus resultieren würde. Das gleiche gilt für die Schaltung nach Fig. 2, wenn die anfängliche Unklarheit nicht be&eutsair ist oder wenn die vorher erwähnte Logik zur Beseitigung des Fehlers eingeschlossen

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ist. Die Polarität von VX kann jedoch abgefühlt werden und die anfangs zugeführte Bezugsspannung VR kann, wenn das erwünscht ist, der geeigneten Polarität zugeführt werden.

Wie bereits erwähnt, dient die Fig. 8 der Erläuterung einiger Beispiele einer typischen Betriebsweise, wie sie die Schaltungen nach der Fig. 5 oder der Fig. 7 zeigen. Die Änderungen der Kondensatorspannung VC in der Nähe des Nullpegels ist in der Fig. 8 klar zu erkennen. Wie in der Fig. 3 sind die Änderungen der Spannung VC in den Fign. 3A-C stark übertrieben gegenüber denen dargestellt, die man tatsächlich auf einem Oszillographen beobachten würde. In der Fig. 8 sind die Pegel der Spannung VC deshalb übertrieben groß dargestellt, um die Betriebsweise der Schaltung zu illustrieren, nicht aber, um die relativen Größen der Spannungen VC und VF anzugeben. Die Fig. 8a gilt für den Fall, daß die Spannung VX den Wert Null besitzt, was bedeutet, daß die positive und negative Bezugsspannung symmetrisch zugeführt werden und daß der Zähler am Ende des SeitgeberIntervalls die Hälfte seines maximalen Zählerstandes erreicht hat. Um zu erläutern, wie übertrieben groß die Änderungen der Spannung VC dargestellt sind, sei bemerkt, daß ein von einer tatsächlichen Schaltung, in der die Spannung VX den Wert Null besitzt, aufgenommenes Oszillogramm einen Spannungsverlauf VC aufweisen würde, dessen Schwankungen weniger als ein Hundertstel der in Fig. 8a dargestellten Schwankungen betragen würde bei gleichen relativen Größen der Spannung VR. Fig. 8b gilt für den Fall, daß eine positive Spannung VX zugeführt wird, so daß die Steilheit des Spannungsverlaufes VC während des Vorhandenseins der positiven Bezugsspannung VR größer ist als die Neigung des SpannungsVerlaufes von VR, während die negative Vergleichsspannung VR zugeführt wird. Fig. Pc gilt für den Fall, daß die unbekannte Spannung VX eine negative Polarität aufweist und läßt auch die anfängliche, einen Zählimpuls betragende Unbestimmtheit erkennen. D. h., die Tatsache, daß die Spannung VC mit dem Wert Null beginnt, bedeutet, daß sie einen etwas größeren negativen Wert erreicht, wenn der Übergangspunkt 100 erreicht x-Jird als sie ihn erreicht beim nächsten Übergangspunkt 101, bei dem von einer

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negativen zu einer positveη Bezugsspannung übergegangen XTird. Daher ist eine Unbestimmtheit von einem Taktimpuls vorhanden, da das erste Intervall, in dem die Bezugs spannung +VR zugeführt wird, langer ist als nach dem Stabilisieren der Schaltung. Diese Unbestimmtheit von einem Taktimpuls ist häufig genügend unbedeutend, um ihre Nichtbeachtung zu rechtfertigen. Wenn das nicht der Fall ist, können die beiden ersten Obergänge 100 und 1O2 außer Acht Gelassen werden, wie das vorher erwähnt wurde und der Zeitgeberzyklus und der Betrieb des Zählers beim übergang 102 beginnen. Obgleich die Fig. 8c zu^zeigen scheint, daß die Spannung VC die Spannung VX beim Taktimpuls übergang 100 erreicht, ist beim, tatsächlichen Betrieb der Schaltung der Wert der Spannung VC vor der¹ fJbergangspunkt 100 sehr viel kleiner als die Spannung VX. Fig. Pd zeigt Taktimpulse, die als die übergänge einer Rechteckspannung angesehen werden können. Es sei bemerkt, daß eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Taktimpulsen für eine negative Spannung VX (Fig. Sc) gezählt wird, während der Zufuhr der negativen Bezugsspannung im Vergleich zur Anzahl solcher Taktimpulse, die während der Zufuhr der negativen Bezugsspannung bei einer positiven Spannung VX gezählt werden. Bn Idealfall werden keine Taktimpulse gezählt, wenn die Spannung VX gleich oder kleiner ist als die negative Bezugsspannung VR, wogegen der Zähler gefüllt wird, wenn die Spannung VX gleich oder größer als die positive Bezugsspannung ist.

Fig. 9 zeigt die gegenseitigen Verbindungen der verschiedenen Teile eines Blockschaltbildes einer Umsetζeranordnung, die ähnlich arbeitet wie die Anordnungen nach den Fign. 5 und 7. In dieser Schaltung wird die unbekannte Eingangsspannung mit einer Bezugsspannung als Rückkopplungssignal 112 der bipolaren Spannungsquelle 111 in einem linearen Summiernetzwerk 113 kombiniert. Das Ergebnis wird durch das Tiefpaßfilter 114 gemittelt, um ein Eingangssignal für die Vergleichsschaltung 115 zu liefern, wobei die Polarität des Ausgangssignals der Vergleichsschaltung 115 eine Funktion eines Vergleichs mit einem vorgegebenen Spanntmgspegel (der in den Fign. 5 und 7 als Massepotential dargestellt ist) , ist.

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Jedes Mal, wenn dem Flipflop 117 ein Impuls des Taktgebers 116 zugeleitet wird, erzeugt es ein Ausgangssignal, das die Polarität des,Ausgangssignals der Vergleichsschaltung 115 wiederspiegelt. Der Ausgang des Flipflops 117 ist mit dem Änalogschalter 118 verbunden, der die Bezugsspannung richtiger Polarität der Spannungsquelle 111 mit der Leitung 112 verbindet. Außerdem ^orgt der Ausgang des Flipflops 117, der dafür sorgt, daß die negative Besugsspannung VR mit der Leitung 112 verbunden wird, auch dafür, daß die Torschaltung 119 Taktimpulse der Torschaltung 120 dem Zähler 121 zuführt.

Durch nichtdargestellte Mittel, wird die Torschaltung 120 anfangs durch ein Startsignal dazu veranlaßt. Impulse des Talctgebers 116 sowohl zu der Torschaltung 119 als auch zu dem Zeitgeberzähler durchzuschalten. Das Vorliegen eines vorgegebenen Wahlergebnisses im Zähler 122 wird von dem Decodierer 123 festgestellt, der dann ' die Torschaltung 12O sperrt, die Torschaltung 124 durchschalten so daß das ZShl©r§ebnis im Zähler 121 ausgelesen werden kann und der den Analogschalter 125 betätigt, so daß der Eisgang der Vergleichsschaltung 115 über das Netzwerk 114 mit Masse vesrhnaelen wird. Jeden Umsetzungszyklus geht ein Rücksetzen der Wähler 121 und 122 voraus und jeder ÜmsetzungsZyklus wird begonnen durch Vorbereiten der Torschaltung 120, während der Änalogschalter 125 die Verbindung der Vergleichsschaltung 115 mit dem Erdpotential beseitigt. Es sei bemerkt, daß nach Fig. 3 das Zählen während der positiven Rückkopplungsspannung VR erfolgt, da die Schaltung nach Fig. 2 arbeitet aufgrund des Vergleichsergebnisses, das durch Vergleich der Spannung VX und dem Mittelwert der Spannung VR gebildet wird, wogegen nach Fig. 8 das Zählen während der Zufuhr der negativen Bezugsspannung VR zu den Schaltungen nach den Fign. 5 und 7 erfolgt, da diese aufgrund der Differenz zwischen dem Erdpotential und dem Mittelwert der Sutane aus den Spannungen VX und VR arbeitet.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Analog/Digital-Umsetzer zur Umsetzung unbekannter bipolarer Analogsignale, gekennzeichnet durch

a) eine Spannungsquelle (11, Fig. 1) für eine positive und eine negative Bezugsspannung,

b) eine Vergleichsschaltung (10), deren Ausgangssignal die Differenz der ihr zugeführten Signale anzeigt,

c) eine an die Vergleichsschaltung angeschlossene Schaltvorrichtung (14), die abhängig von der Polarität des Vergleichsergebnisses ein Bezugssignal durchschaltet, dessen Polarität der des Vergleichsergebnisses entgegengesetzt ist,

d) ein Netzwerk (12) , über welches das Analogsignal und das Ausgangssignal der Schaltvorrichtung der Vergleichsschaltung zugeführt werden, so daß mindestens eines von deren EingangsSignalen einem akkumulierten zeitlichen Mittelwert entspricht,

e) eine Meßvorrichtung zur Ermittlung der Zeitdauer, während der zumindest eine der Bezugsspannungen dem Netzwerk während eines vorgegebenen Zeitintervalls zugeführt wird.
2. Analog/Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk eine Schaltung enthält, die den akkumulierten zeitlichen Mittelwert des Ausgangssignals der Schaltvorrichtung der Vergleichsschaltung zuführt, während das Analogsignal der Vergleichsschaltung unverändert zugeführt wird.
3. Analog/Digital-Umsetzer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Mittelwertbildung einen Kondensator (25, Fig. 2) enthält, dem das Ausgangssignal der Schaltvorrichtung zugeführt wird.
4. Analog/Digital-Umsetzer nach den Ansprüchen 1 bis 3, da-BC 971 008 4098 17./1032

durch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (55, Fig. 5) zur Summlerung des Analogsignals und des Ausgangssignals der Schaltvorrichtung und zum Aufladen des an die Vergleichsschaltung angeschlossenen Kondensators als Funktion der SummieTung vorgesehen 1st.
5. Analog/Digital-ümsetzer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung enthält:

a) einen Taktgeber (26, Fig. 2), dessen Taktimpulse auch der Schaltvorrichtung zur Umschaltung der Bezugsspannung zugeführt werden,

b) einen ersten Zähler (27) , der auf ein Startsignal eine vorgegebene Anzahl von Taktimpulsen zählt und beim Erreichen der Anzahl ein entsprechendes Ausgangssignal abgibt,

c) einen zweiten Zähler (29) und boolesche Schaltungen, die in dem durch das Startsignal und das Ausgangssignal des ersten Zählers definierten Zeitintervall dem zweiten Zähler das Zählen von Taktimpulsen ermöglichen, die während dem Anliegen einer vorgegebenen der beiden Bezugsspannungen auftreten.
6. Analog/Digital-ümsetzer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (F/F, Fig. 2) zur Auswahl der Bezugsspannung entgegengesetzter Polarität durch Taktimpulse gesteuert wird unabhängig vom Betriebszustand des ersten und zweiten Zählers.
7. Analog/Digital-ümsetzer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsschaltung ein Differenzverstärker (59, Fig. 5) dient, dessen eine Eingangsklemme an das Erdpotential angeschlossen ist, mit dem auch die eine Elektrode des Kondensators (58) verbunden ist, dessen andere Elektrode an den zweiten Eingang des Differenzverstärkers und mit den Widerständen (56, 57) des als Filter (55) ausgebildeten Netzwerkes verbunden ist.

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8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für Multiplexbetrieb eine Vielzahl von Vergleichsschaltungen (4OA bis 4ON, Fig. 4) und Schaltvorrichtungen (46A bis 46N, 41A bis 41N) vorgesehen sind und daß eine
Auswählvorrichtung (44) die Auswahl des umzusetzenden Analogsignals vornimmt.

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