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Analog-Digital-Umsetzer Die Erfindung betrifft Analog-Digital-Umsetzer
und insbesondere einen sogenannten Parallel-Serien-Parallel-Umsetzer.
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Ein Umsetzer dieser Art wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen näher beschrieben und zwar zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines
bekannten Analog-Digital
-Umsetzers vom Parallel-Serien-Parallel-Typ;
Fig. 2A ein Eingabesignal und dessen Beziehung zu den groben Stufen des Umsetzers;
Fig. 2B die Ausgabe der Subtrahiereinrichtung bzw.
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des Subtraktors im Umsetzer für das Eingabesignal von Fig, 2A; und
Fig. 3, 4 und 5 verschiedene Fehlerarten, die bei dem Umsetzer nach Fig. 1 auftreten
können, wobei bei A die Ausgabe des Subtraktors gezeigt ist und bei B das Analogäquivalent
der Digitalausgabe des Umsetzers.
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Der in Fig. 1 dargestellte elektrische Analog-Digital-Umsetzer besitzt
eine Analogeingabe 10, die mit einer ersten Parallelstufe 12 verbunden ist. In dieser
Stufe wird die Eingabe mit einer Anzahl grober Quantisierungsstufen verglichen und
wird eine Ausgabe erzeugt, welche anzeigt, in welchen einer entsprechenden Anzahl
von groben Quantisierungsbereichen das Eingabesignal fällt.
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Diese Ausgabe bildet einen Teil der Ausgabe des Umsetzers und wird
auch einem Digital-Analog-Umsetzer 14 zugeführt. Dieser regeneriert die grobe Stufe,
die dem groben Bereich zugeordnet ist, in welchen die Analogeingabe fällt, und führt
diese grobe Stufe einer Subtrahiereinrichtung bzw, einem Subtraktor 16 zu.
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Dem Subtraktor 16 wird ferner das Analog-Eingabesignal über eine wahlweise
Verzögerungseinheit 18 zugeführt,
die dazu dient, die Laufzeit des
Eingabesignals am Subtraktor zu korrigieren. Die Subtraktorausgabe ist ein Maß des
Betrages, um welcher das Eingabesignal von einer der Grob stufen abweicht und wird
einer zweiten Parallelstufe 20 zugeführt. Diese Stufe vergleicht das Differenzsignal
mit einer Anzahl Feinquantisierungsstufen und erzeugt eine Ausgabe, die anzeigt,
in welche einer entsprechenden Anzahl von Feinquantisierungsbereichen das Differenzsignal
fällt.
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Die Ausgabe der zweiten Parallelstufe 20 bildet den Rest der Ausgabe
des Umsetzers.
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Der Umsetzer kann dazu verwendet werden, analoge Fernsehsignale in
digitale Signale umzusetzen. Das Analogsignal wird zuerst abgetastet, um eine Reihe
von Analogabtastungen zu erhalten, die der Eingabe 10 zugeführt werden. Zweckmässig
hat die digitale Ausgabe Binärform und gewöhnlich werden acht Binärbits zum Codieren
von Fernsehsignalen verwendet, was 28 = 256 Quantisierungsstufen ergibt.
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Ein Beispiel der Wirkungsweise des Umsetzers nach Fig. 1 wird nachfolgend
in Verbindung mit Fig. 2A beschrieben.
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Die 256 möglichen Stufen werden in 16 grobe Stufen unterteilt und
das Eingabesignal wird mit Bezug auf diese durch die erste Parallelstufe gemessen.
Wenn das Signal den in Fig. 2A gezeigten Wert V1 hat, d.h. zwischen den Stufen 144
und 160 liegt, ergibt die erste Parallelstufe 12 eine Ausgabe, welche der Stufe
144entspricht.
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Diese Stufe ist in der Tat die grobe Stufe 9 und die Stufe 12 erzeugt
den Binärausgang 1001. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, bildet dieser die ersten vier
Ziffern der Binärausgabe des Umsetzers.
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Der Digital-Analog-Umsetzer 14 nimmt ferner die Eingabe 1001 auf und
regeneriert eine Analogausgabe der Stufe 144, die der Spannung V2 in Fig. 2A äquivalent
ist.
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Dem Subtraktor 16 werden daher die Spannungen V1 und V2 zugeführt,
welcher die Differenz zwischen beiden bildet. Diese Differenz wird der zweiten Parallelstufe
20 zugeführt, die eine Binärausgabe erzeugt, welche den Betrag darstellt, um welchen
die Eingabespannung die nächst darunter befindliche Grobstufe überschreitet.
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Diese Binärausgabe bildet die vier niedrigstwertigen Stellen der Umsetzerausgabe.
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Die 16 Stufen in der zweiten Parallelstufe 20 betragen je ein Sechzehntel
der Amplitude derjenigen in der ersten Parallelstufe 12. Daher waren, obwohl die
Amplitude des Eingabesignals mit einem Teil in 256 ermittelt wurde, nur 32 (d.h,
2 x 16) Meßelemente hierfür notwendig.
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Wenn an die Eingabe 10 eine kontinuierlich zunehmende Wellenform von
der in Fig. 2A gezeigten Art gelegt wird, erhält die Ausgabe des Subtraktors 16
die in Fig. 2B gezeigte Form, Die gestrichelten Linien zeigen die Enden des Quantisierungsbereichs
der zweiten Parallelstufe 20 entsprechend einem Bereich von 0 bis 15 Feinstufen.
An jeder Grobstufe verändert sich die Ausgabe des Subtraktors 16 von der Stufe 15
auf die Stufe 0 und nimmt dann an der nächsten Grobstufe stetig wieder auf 15 zu,
Drei typische Fehler in derkrbeitsweise des Umsetzers nach Fig, 1 werden nun nachfolgend
in Verbindung mit Fig, 3, 4 und 5 beschrieben. Fig. 3 zeigt bei A die Ausgabe des
Subtraktors 16, wenn eine Gleichtromversetzung
stattgefunden hat,
In der zweiten Parallelstufe 20 erzeugt eine Eingabe von mehr als Stufe 15 eine
Ausgabe von 15, während eine Eingabe von weniger als 0 eine Ausgabe von 0 erzeugt,
Die stetig zunehmende Zählung in der zweiten Parallelstufe wird daher unterbrochen,
was eine Verzerrung der Übertragungscharak teristik zur Folge hat, wie bei B gezeigt.
Codes, welche durch die Subtraktorausgabe dargestellt sind und über der Stufe 15
liegen, fehlen in der Ausgabe, was einen sehr unbefriedigenden Verlauf ergibt.
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Fig. 4 zeigt die Art von Fehler, die aus Zunahmefehlern in dem Digital-Analog-Umsetzer
14 oder in der Verzögerungsleitung 18 erhalten werden. Die Subtraktorausgabe kann
dann die bei Agezeigte Form erhalten. Die resultierende Umsetzerausgabe ist bei
B angegeben und entsteht, wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, jedoch nimmt
in diesem Falle die Verzerrung mit zunehmender Signalamplitude zu Aus Fig. 2B ist
ersichtlich, daß die vertikalen Obergänge an der Subtraktorausgabe durch die erste
Parallelstufe 12 verursacht wrden, welche registriert, daß das Eingabesignal eine
der Grob stufen überschreitet. Wenn die für diesen Vorgang verantwortliche Komponente
fehlerhaft ist und in der Tat eine Entscheidung lange nach der Überschreitung der
Stufe erreicht, ist die Subtraktorausgabe wie bei A in Fig. 5 gezeigt. Hier ist
angenommen, daß der Umstand, daß das Eingabesignal die Stufe 144 überschritten hat,
erst erkannt worden ist, als es die Stufe 150 erreichte. Dies ergibt eine einzelne
Nichtlinearität im Ausgabesignal, wie bei B gezeigt.
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Diese Art von Fehler kann über die ganze Übertragungscharakteristik
regellos
auftreten.
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Diese drei Fehler können direkt additiv sein und wenn + 1 der Gesamtfehler
auf nicht höher als - 2 des Zuwachses zwischen den einstufen gehalten werden soll,
beträgt das, Stabilitätserfordernis für jede Fehlerart in dem beschriebenen Beispiel
etwa - 0,07 %. Dies erfordert teuere Bauelemente und ist nicht leicht über einen
Temperaturbereich zu erzielen.
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Fig. 1 zeigt daher einen Analog-Digital-Umsetzer von der Art mit einer
ersten Digitiereinrichtung, durch welche das Analogeingabesignal mit einem einer
Anzahl von Grobamplitudenbereichen in Beziehung gesetzt werden kann und um eine
Digitalausgabe zu erhalten, welche den Grobbereich anzeigt, in welchen das Eingabesignal
fällt, einer Subtrahiereinrichtung, zur Bestimmung der Differenz zwischen dem Analogeingabesignal
und dem dem erwähnten Bereich entsprechenden Grobpegel, in welchen das Eingabesignal
fällt, und einer zweiten Digitiereinrichtung zum Erzielen einer digitalen Ausgabe,
welche die erwähnte Differenz anzeigt.
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Ein erfindungsgemäßer Umsetzer solcher Art besitzt ferner eine Einrichtung
zur Anzeige, wenn die Ausgabe der Subtrahiereinrichtung einen Bereich überschreitet,
der durch den erwähnten Grobbereich begrenzt wird und zur Erzeugung eines Fehlersignals
aufgrund dieser Überschreitung, Zweckmässig ist die Anzeige einrichtung mit der
zweiten Digitiereinrichtung verbunden.
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Bei einer bevorzugten Anordnung wird, wenn die Anzeigeeinrichtung
einen Ausgang liefert, dieser zur Modifikation
der Ausgabe der ersten
Digitiereinrichtung verwendet, und die zweite Dighiereinrichtung liefert einen Ausgang,
der die Differenz zwischen dem Analogeingabesignal und einer Grobstufe benachbart
derjenigen anzeigt, welche durch die erste Digitiereinrichtung angezeigt wird.
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Gegebenenfalls kann das Fehler signal dazu verwendet werden, die kombinierten
Ausgaben der ersten und der zweiten Digitiereinrichtung zu modifizieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise in Verbindung mit den
übrigen Figuren der Zeichnung weiter beschrieben und zwar zeigen: Fig. 6 ein Schaltbild
eines Analog-Digital-Umsetzers von der in Fig. 1 gezeigten Art in der erfindungsgemäßen
Weise modifiziert und Fig.7 ein Wellenformdiagramm, welches die Arbeitsweise des
modifizierten Umsetzers darstellt.
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Ein großer Teil des Umsetzers nach Fig. 6 ist mit dem nach Fig. 1
identisch, so daß entsprechende Einzelheiten nicht nochmals beschrieben werden.
Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Aus Fig,
6 ergibt sich, daß die zweite Parallelstufe 20 mit zwei Überlaufdetektoren versehen
worden ist, nämlich mit einem Positivüberlaufdetektor 24 und einem Negativüberlaufdetektor
26. Der Positivüberlaufdetektor 24 liefert eine Anzeige, wenn die Ausgabe aus dem
Subtraktor über der Stufe 15 liegt, während der Negativüberlaufdetektor 26 eine
Anzeige liefert, wenn die Ausgabe
aus dem Subtraktor unter der
Stufe 0 liegt.
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Die jeweilige Ausgabe aus den Überlaufdetektoren wird der entsprechenden
Eingabe eines arithmetischen Elements bzw. Rechenwerks 28 zugeführt, das mit der
Ausgabe der ersten Parallelstufe 12 verbunden ist.
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Die zweite Parallelstufe 20 empfängt ferner Signale aus den Überlaufdetektoren
und wird hierdurch'modifiziert, so daß eine 'tRückfalte"-Wirkung erhalten wird,
d.h., wenn ein positiver Überlauf angezeigt wird, ist die an der Ausgabe der zweiten
Parallelstufe erzeugte Zahl gleich dem tatsächlich erhaltenen Wert minus der größten
Zahl von Zuwachsen, den die Stufe 20 anzeigen kann. Daher ist, wenn die Ausgabe
des Subtraktors 16 der Zahl 20 entspricht, die Ausgabe der zweiten Parallelstufe
20 - 16 = 4. In ähnlicher Weise wird, wenn ein negativer Überlauf angezeigt wird,
eine Zahl, die gleich d er größten Zahl von Zuwachsbetragen ist, die angezeigt werden
kann, zum Inhalt der zweiten Parallelstufe addiert, so daß, wenn die letztere 5
Zuwachsbeträge unter Null liegt, die Ausgabe der Stufe 20 wie folgt ist: 16 + (-
5) 11.
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Die Kombination dieser Maßnahmen bewirkt die Uberwindung von Fehlern
in den Schaltungskomponenten, die dem Subtraktor 16 vorgeschaltet sind. In Fig.
7 ist mit voll ausgezogenen Linien die Subtraktorausgabe bei einem Fehler in der
ersten Parallelstufe 12 gezeigt, wie vorangehend in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben.
Am Punkt A in Fig. 7 hat die erste Parallelstufe die Stufe 128 registriert und ist
die Ausgabe des Subtraktors und damit der zweiten Parallelstufe Null. Die Gesamtausgabe
des Umsetzers beträgt daher 128 + 0 = 128. Am Punkt B beträgt
die
Ausgabe 128 aus der ersten Parallelstufe 12 und 7 aus der zweiten Parallelstufe,
was insgesamt 135 ergibt, wie für den Umsetzer nach Fig. 1.
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Am Punkt C stellt die Ausgabe des Subtraktors jedoch die Zahl 18 dar
und die Arbeitsweise des Umsetzers ist dann wie folgt: der Positivüberlaufdetektor
24 gibt der zweiten Parallel stufe 20 die Anweisung, 16 von ihrem Ausgabecode abzuziehen,
so daß die Stufe 20 eine Ausgabe liefert, die 18 - 16 = 2 darstellt. Dies ist mit
gestrichelten Linien in Fig. 7 dargestellt, Gleichzeitig addiert das arithmetische
Element 1 zur Ausgabe der ersten Parallelstufe 12. Diese Eins stellt jedoch numerisch
16 dar und die Ausgabe des arithmetischen Elements ist daher nun 128 + 16 - 144.
Die Gesamtausgabe ist 144 + 2 = 146 und diese ist die gleiche wie diejenige, die
erhalten worden wäre, wenn kein Fehler und kein Überlauf bestanden haben würde,
Durch die Anzeige der Fehler bei ihrem Eintragen in die letzte Parallel stufe im
Umsetzer kann ihre Gesamtwirkung gemessen werden, welche Information dazu verwendet
wird, die Ausgabe zu korrigieren. Es können auch andere Wege zur Korrektur der Ausgabe
beschritten werden, beispielsweise kann die Überlaufinformation unmittelbar zur
arithmetischen Korrektur der ganzen Umsetzerausgabe aus 8 Bit verwendet werden,
Durch das dargestellte System wird die bisher erforderliche kritische Genauigkeit
der ersten Parallelstufe herabgesetzt, was eine höhere Genauigkeit und/oder geringere
Herstellungskosten ermöglicht. Ferner kann ein Temperaturdrift geduldet werden,
ohne daß eine nichtlineare Verzerrung die Folge ist.
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Patentansprüche: