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Analog-Digital-Wandler mit einem oder mehreren Analogsignaleingängen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler mit
einem oder mehreren Analogsignaleingängen, bestehend aus einem Digital-Analog-Wandler
mit Eingängen zur parallelen Eingabe eines Digitalwortes und mit einem Analogausgang,
aus je einem Vergleicher für jeden Analogsignaleingang, ,wobei jeweils ein erster
Vergleichereingang den Analogsignaleingang bildet, aus einer Steuerschaltung mit
Ausgängen zur parallelen Ausgabe eines Digitalwortes und wenigstens einem Signaleingang
für Digitalsignale, und für den Fall mehrerer Analogsignaleingänge aus einer Auswahl
schaltung mit Eingängen zur Eingabe digitaler Signale, Eingänge zur Eingabe von
Auswahlsignalen und mit einem Ausgang, wobei die Ausgänge der Steuerschaltung mit
den Eingängen des Digital-Analog-Wandlers, der Analogausgang mit jedem zweiten Vergleiehereingang,
jeder Vergleieherausgang mit einem Ausgang der Auswahlschaltung und der Ausgang
der Auswahlschaltung mit dem Signaleingang der Steuerschaltung verbunden ist.
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Analog-Digital-Wandler der eingangs genannten Art sind bekannt.
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Sie bestehen aus einem Digital-Analog-Wandler, einem Vergleicher und
einer Stearschaltung. Die Steuerschaltung Liefert an den Digital-Analog-Wandler
ein digitales Wort und nimmt das Ausgang signal des Vergleichers auf. Der Vergleicher
vergleicht das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers mit dem Analogsignal und
liefert am Ausgang z.B. "0", wenn das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wåndlers
kleiner als das Analogsignal ist und
"1" für den umgekehrten Fall.
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Die Steuerschatung legt nacheinander alle oder eine Auswahl digitaler
Wörter an den Digital-Analog-Wandler und prüft jedes mal das Ausgangssignal des
Vergleichers. Die digitale Zahl, die gerade zum Umschalten des Ausgangssignals des
Vergleichers führt, ist dann die digitale Darstellung des Analogsignals.
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Für die Steuerschaltung sind zwei Prinzipien bekannt: 1. Bitweise
Approximation (Literatur: Analog-Digital Conversior.
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Handbook, Analog-Devices Inc., S. II-47).
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2. Approximation durch aufeinanderfolgendes Anlegen aller möglichen
digitalen Zahlen (Literatur: Analog-Digital Conversion Handbook, Analog-Devices
Inc., S. II-51).
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In Analog-Digital-Wandlern für mehrere Anaogsignale ist für jedes
Analogsignal je ein Vergleicher vorgesehen. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers
wird in jedem Vergleicher mit dem dort anliegenden Analogsignal verglichen. Eine
Auswahlschaltung schaltet mit Hilfe von Auswahlsignalen das Ausgangssignal des Vergleichers
auf die Steuerschaltung, dessen Analogsignal gerade gemessen werden soll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei Vorhandensein eines
Digitalrechners den Hardware-Aufwand für den Analog-Digital-Wandler zu verringern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäM dadurch gelöst, daß die Steu3nchaltung
und die Auswahlscha£tung aus einem programmierbaren DigitaLrechner besteht, der
entsprechend programmiert ist.
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Bei Digitalrechnern mit individuellen Dataneingängen und -ausgängen
wird vorteilhafterweise so verschaltet, daß die Eingange des Digital-Analog-Wandlers
mit Datenausgängen und dieVergleicheraus#änge mit Dateneingängen des Digitalrechners
verbunden sind.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht
darin,
daß der Digitalrechner eine oder mehrere Datenschienen mit Anschlüssen zur parallelen
Eingabe und Ausgabe von Daten aufweist und daß die Eingänge des Digital-Analog-Wandlers
über eine erste Interface-Schaltung mit Anschlüssen zur parallelen Ausgabe von Daten
einer Datenschiene und die Vergleicherausgänge über eine zweite Interface-Schaltung
mit Anschlüssen zur parallelen Eingabe von Daten einer Datenschiene verbunden sind.
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Vorzugsweise besteht die erste Interface-Schaltung aus einem Zwischenspeicher
mit Ein- und Ausgängen zur parallelen Eingabe und Ausgabe eines digitalen Wortes
und mit einem Takteingang zum Steuern der Übernahme der Daten in den Zwischenspeicher,
wobei die Eingänge und Ausgänge des Zwischenspeichers die Eingänge und die Ausgänge
der Interface-Schaltung darstellen und wobei der Takteingang des Zwischenspeichers
den Takteingang der Interface-Schaltung bildet.
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Der Zwischenspeicher besteht vorzugsweise aus getakteten D-Flipflops,
wobei für jedes Bit des zu speichernden Digitalwertes ein D-Flipflop vorgesehen
ist, wobei gleichwertige Eingänge und Ausgänge der D-Flipflops die Eingänge und
Ausgänge des Zwischenspeichers darstellen und wobei die Takteingänge zusammengeschaltet
sind und gemeinsam den Takteingang des Zwischenspeichers bilden.
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Vorzugsweise besteht die zweite Interface-Schaltung für den Fall mehrerer
Analogsignaleingänge aus UND-Gattern mit wenigstens zwei Eingängen, wobei erste
Eingän#eines jeden Gatters die Eingänge und die Ausgänge der Gatter die Ausgänge
der Interface-Schaltung bilden und wobei die zweiten Eingänge der Gatter miteinander
verbunden sind und gemeinsam den Takteingang der Interface-Schaltung bilden.
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Das Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers
besteht darin, daß der Digitalrechner über Datenausgänge oder über Anschlüsse einer
Datenschiene und die erste Interface-Schaltung nacheinander alle oder eine geeignete
Anzahl
aller möglichen Digitalwörter an die Eingänge des Digital-Analog-Wandlers
anlegt, daß er von den über Dateneingängen oder über die zweite Interface-Schaltung
und Anschlüssen einer Datenschiene aufgenommenen Ausgangssignale der Vergleicher
das zu dem zu messende Analogsignal gehörende Bit auswählt, daß er mit Hilfe dieses
ausgewählten Bits erkennt, ob das dem ausgegebenen Digitalwort entsprechende analoge
Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers kleiner oder größer als das zu messende
Analogsignal ist und daB er mit Hilfe dieser Information das dem Analogsignal entsprechende
Digitalwort schrittweise approximiert.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ana10g-Digital-Wandlers gegenüber
Analog-Digital-Wandlern des Standes der Technik besteht dair daß die Hardware der
Steuerschaltung durch Software ersetzt wird.
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Damit verringert sich zum ein n der Hardware-Aufwand für den erfindungsgemäben
Digitai-Analog-Wandier erheblich im Vergleich zu denen des Standes der Technik,
zum anderen kann der erfindungsgemäße #igital-Analog-Wandler variabel betrieben
werden.
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Die Erfindung wird anhand von Figuren erläutert.
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Figur 1 zeigt einen AnaLog-Digital-WandLer des Standes der Technik
mit einem Analogsignaleingang.
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Figur 2 zeigt die Erweiterung eines AnaLog-Digital-Wandlers des Standes
der Technik mit mehreren Analogsignaleingängen.
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Figur 5 zeigt den erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler mit mehreren
Analogsignaleingängen.
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Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäben Analog-Digital-Wandler mit Interface-Schaltungen.
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Figur 5 zeigt eine Realisierungsmöglichkeit der ersten Interface-Schaltung.
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Figur 6 zeigt einen möglichen Aufbau der zweiten Interface-Schaltung.
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Figur 7 zeigt ein Flußdiagramm für bitweise Approximation.
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In der Figur 1 ist ein Analog-Digital-Wandler des Standes der
Technik
mit einem Analogsignaleingang dargestellt. Der Eingang 11 des Vergleichers 3 bildet
den AnaLogsignaleingang.
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Die Eingänge 5 bis 6 des Digital-Analog-WaidLers 1 sind mit den Ausgängen
7 bis 8 der Steuerschaltung 2 verbunden. Der Analogausgang 9 des Digital-Analog
Wandlers ist mit dem zweiten gang 10 des Vergleichers und der Ausgang 12 des Vergleichers
mit dem Signaleingang 13 der Steuerschaltung verbunden.
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Die Steuerschaltung legt über die Ausgänge 7 bis 8 auf die Ein gange
5 bis 6 des Digital-Analog-Wandlers nacheinander alie oder eine Auswahl digitaler
Wörter DA. Vom Analogausgang 9 des Digital-Analog-Wandlers wird der, dem jeweiligen
Digitalwort DA entsprechende Analogwert AA auf den Eingang 10 des Vergleichers gegeben.
Der Vergleidher vergleicht den Analogwert AA mit dem Analogsignal A und liefert
am Ausgang 12 z.B. den Wert "0" für AA < A und den Wert "1" für AA > A. Die
Steuerschaltung 2 nimmt das Ausgangssignal vom Ausgang 12.des Vergleichers über
den Eingang 13 auf. Dasjenige DigitaLwort, das gerade zum Umschalten des Ausgangssignals
des Vergleichers führt, ist dann die digitale DarstelLung des Analogsignals A undkann
an den Ausgängen 7 bis 8 der Steuerschaltung entnommen werden.
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In Figur 2 ist die Erweiterung eines Analog-Digital-Wandlers des Standes
der Technik für mehrere AnalogsignaLe A1...An dargestellt. Für jedes AnalogsignaL
Å1...An ist je ein Vergleicher 3 bis 4 vorgesehen. Die Eingänge 11 bis 15 der Vergleicher
biLden die Analogsignaleingänge. Die zweiten Eingänge 1U bis 14 der Vergleicher
sind mit dem Analogausgang 9 des Digital-AnaLog-Wandlers verbunden. Die Ausgänge
12 bis 16 der Vergleicher sind mit den Eingängen 18 bis 19 der Auswahlschattung
17 und der Ausgang 20 der Auswahischaltung mit dem Signaleingang 15 der SteuerschaLtung
verbunden. An jeden der Eingänge 11 bis 15 der Vergleicher wird eines der Analogsignale
A1...An angelegt. Die Vergleicher 5 bis 4 vergleichen jedes der AnaLogsignale mit
dem Analogwert AA vom Ausgang 9 des Digital-Analog-Wandlers. Die AuswahlschaLtung#17
schaltet mit Hilfe von Auswahlsignalen, die auf die Eingänge 21 bis 22 gegeben werden,
das Ausgangssignal des jenigen Vergleichers über den Ausgang 20 auf den Eingang
13 der
Steuerschaltung, dessen Analogsignal gerade gemessen werden
soll.
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In Figur 5 ist der erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandler mit mehreren
Analogsignaleingängen dargestellt. Die Eingänge 5 bis 6 des Digital-Analog-Wandlers
1 sind mit Datenausgangsleitungen des Digitalrechners 52 verbunden. Die Ausgänge
12 bis 16 der Vergleicher 5 bis 4 sind mit Dateneingangsleitungen 39 bis 510 des
Digitslreners verbunden. Die Steuerung des Digital-Analog-Wandlers wird mittels
eines Programmes durchgeführt.
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Bei Rechnern mit Datenschiene (bus) müssen zwischen die Anschlüsse
der Datenschiene des Rechners und die Eingänge des Digital-Analog-Wandlers bzw.
Ausgänge der Vergleicher Interface-Schaltungen geschaltet werden.
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In Figur 4 ist ein erfindungsgemäßer Analog-Digital-Wandler mit Interface-Schaltungen
dargestellt. Zwischen die Anschlüsse 47 bis 48 zur parallelen Ausgabe von Daten
einer Datenschiene des Rechners 42 und die Eingänge 5 bis 6 des Digital-AnaLog-Wandlers
ist eine erste Interface-Schaltung 40 geschaltet.
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Sie besteht aus einem Zwischenspeicher mit den Eingängen 401 bis 402
zur paralLelen Eingabe, den Ausgängen 405 bis 404. zur parallelen Ausgabe eines
Digitalwortes und dem Takteingang 405.
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Die Eingänge 401 bis 402 sind mit Anschlüssen 47 bis 48 einer Datenschiene
des Rechners und die Ausgänge 403 bis 404 sind mit den Eingängen 5 bis 6 des Digital-Analog-Wandlers
verbunden. Der Takteingang 405 ist mit einem Taktausgang 421 des Rechners verbunden.
Die Interface-Schaltung 40 dient zur ,wischenspeicherun: eines Digitalwortes, wobei
die Übernahme von der Datenausgangsschiene durch einen Taktimpuls aus dem Taktausgang
421 des Recht über den Eingang 405 gesteuert wird. Zwischen die Anschlüsse 58 bis
59 zur parallelen Eingabe von Daten einer Datenschiene des Rechners und die Vergleicherausgänge
12 bis 16 ist eine zwei.
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Interface-Schaltung 41 mit Eingängen 413 bis 414 und Ausgängen 411
bis 412 zur parallelen Ein- und Ausgabe eines Digitalwortes und mit einem Takteingang
415 geschaltet. Die Eingänge 413 bis 414 sind mit den Ausgängen 12. bis 16 der Vergleicher
und die
Ausgänge 411 bis 412 mit Anschlüssen 49 bis 410 einer Datenschiene
des Rechners 42 verbunden. Der Takteingang 415 istrmit einem Taktausgang 422 des
Rechners 42 verbunden. Das zweite Interface dient zur Steuerung der Datenübernahme
von den Vergleicherausgängen auf die Datenschiene. Die Steuerung erfolgt über den
Taktausgang 421 des Rechners und dem Takteingang 415 mittels Taktimpulsen.
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In Figur 5 ist eine Realisierungsmöglichkeit der ersten Interface-Schaltung
40 dargestellt. Für jedes Bit eines Digitalwortes das auf den Digital-Analog-Wandler
gegeben wird, ist je ein D-Flipflop 51 bis 52 vorgesehen. Die Eingänge 401 bis 402
der ersten Interface-Schaltung 40 bilden dabei einzeln die Eingänge der D-Flipflops.
Für die Ausgänge 403 bis 404 gilt entsprechendes. Die Takteingänge 511 bis 521 der
Flipflops 51 bis 52 sind zusammengelegt und bilden den Eingang 405 der Interface-Schaltung.
Ein D-Flipflop kann einfach aus einem getakteten RS-Flipflop hergestellt werden,
indem man R- und S-Eingang über einen Inverter miteinander verbindet.
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In Figur 6 ist ein möglicher Aufbau der zweiten Interface-Schaltung
dargestellt. Die besteht aus den UND-Gattern 60 bis 61. Für jeden Vergleicher ist
ein UND-Gatter vorgesehen und jedes UND-Gatter hat zwei Eingänge. Die Eingänge 601
bis 611 sind zusammengelegt und bilden den Takteingang 415 der Interface-Schaltung.
Die restlichen Eingänge der UND-Gatter und die Ausgänge bilden die Eingänge 413
bis 414 und die Ausgänge 411 bis 412 der zweiten Interface-Schaltung. Bei Rechnern
mit nur einer Datenschiene für die Dateneingabe und -ausgabe können die Anschlüsse
47 bis 48 mit den Anschlüssen 49 bis 410 zusammengelegt werden.
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In Figur 7 ist der Brogrammablaufplan in Form eines Flußdiagrammes
für die Analog-Digital-Wandlung nach dem Verfahren der bitweisen Approximation dargestellt.
Nach diesem Flußdiagramm kann das Rechnerprogramm aufgestellt werden.
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Es bedeuten: DA = digitales Ausgangswort. Dieses wird von Rechnerausgängen
parallel
auf den Digital-Analog-Wandler gegeben und stellt nach vollständiger Abarbeitung
des Programmes den der Analoggrö.ße entsprechenden Digitalwert auf.
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m = Zahl der Bits von DA.
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p = Zählnummer für die Bits in DA.
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DI = digitales Eingangswort. Dieses wird von den Vergleicherausgängen
parallel auf Rechnereingänge gegeben.
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q = Nummer des Analogsignaleingangs, dessen Anliegen des Analogsignals
gemessen werden solL.
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Die Parallelogramme 61 und 62 sind Befehlskästchen und die Rauten
64 und 65 Entscheidungskästchen.
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7 Patentansprüche 6 Figuren