DE2419642C3

DE2419642C3 - Analog-Digital-Umsetzer

Info

Publication number: DE2419642C3
Application number: DE2419642A
Authority: DE
Inventors: Russel Edward Bracknell Berkshire Fletcher (Ver. Koenigreich)
Original assignee: British Broadcasting Corp
Current assignee: British Broadcasting Corp
Priority date: 1974-04-24
Filing date: 1974-04-24
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2419642A1; DE2419642B2

Description

Die Erfindung betrifft Analog-Digital-Umsetzer mit einer ersten Digitalisiereinrichtung, durch welche ein analoges Eingangssignal mit einem aus einer Anzahl von Grob-Amplitudenbereichen in Beziehung gesetzt Werden kann, und zur Abgabe eines digitalen Ausgangstignals, welches den Grobbereich anzeigt, in welchen das Eingangssignal fällt, einer Subtrahiereinrichtung rum Bestimmen der Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal und der Grobstufe, die dem Grobbereich entspricht, in den das Eingangssignal fällt, und einer !weiten Digitalisiereinrichtung zur Abgabe eines digitalen Ausgangssignals, welche die erwähnte Differenz anzeigt.

Ein Umsetzer dieser Art wird nachfolgend in Verbindung mit den Zsichnungen näher beschrieben, und zwar zeigt

FIg₁] ein Blockschaltbild eines bekannten Analog-DigitaUUnisetzers,

Flg.2A ein Eingabesignal und dessen Beziehung zu den groben Stufen des Umsetzers,

F i g, 2B die Ausgabe der Sübtrahlereinrichtung bzw* des Sübtraktörs im Umsetzer für das Eingäbesigiläl von F i g. 2A und

F i g. 3,4 und 5 verschiedene Fehlerarten, die bei dem Umsetzer nach Fig.] auftreten können, wobei bei A die Ausgabe des Subtraktors gezeigt ist und bei B das Analogäquivalent der Digitalausgabe des Umsetzers.

Der in F i g. 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 Diese Ausgabe bildet einen Teil der Ausgabe des Umsetzers und wird auch einem

is Digital-Analog-Umsetzer 14 zugeführt Dieser generiert die grobe Stufe, die dem groben Bereich zugeordnet ist in weichen die Analogeingabe fällt und führt diese grobe Stufe einer Subtrahiereinrichtung bzw. einem Subtraktor 16 zu.

Dem Subtraktor 16 kann ferner das Analog-Eingabesigna! über eine Verzögerungscinheit IS zugeführt werden, 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 Grobstufen abweicht und wird einer zweiten Parallelstufe 20 zugeführt Diese Stufe vergleicht das Differen^signal mit einer Anzahl Feinquantisierungsstufen und erzeugt eine Ausgabe, die anzeigt, in welche einer entsprechenden Anzahl von Feinquantisierungsbereichen das Differenzsignal fällt. Die Ausgabe der zweiten Parallelstufe 20 bildet den Rest der Ausgabe des Umsetzers.

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 Fern*. ;hsignalen verwendet, was 2⁸ = 256 Quantisierungsstufen ergibt.

Ein Beispiel der Wirkungsweise des Umsetzers nach Fig. 1 wird nachfolgend in Verbindung mit Fig.2A beschrieben. Die 256 möglichen Stufen werden in 16 grobe Stufen unterteilt und das Eingabesignal wird mit Bezug auf diese :,jrch die erste Parallelstufe gemessen. Wenn das Signal den in F i g. 2A gezeigten Wert Vl hat, d. h. zwischen den Stufen 144 und 160 liegt, ergibt die erste Parallelstufe 12 eine Ausgabe, welche der Stufe 144 entspricht. Diese Stufe ist in der Tat die grobe Stufe

so 9 und die Stufe 12 erzeugt den Binärausgang 1001. Wie sich auf F ι g. 1 ergibt, bildet dieser die ersten vier Ziffern der Binärausgabe des Umsetzers.

Der Digital-Analog-Umsetzer 14 nimmt ferner die Eingabe 1001 auf und generiert eine Analogausgabe der Stufe 144. die der Spannung V2 in Fig. 2A äquivalent ist. Dem Subtraktor 16 werden daher die Spannungen Vl und V2 zugeführt, welcher die Differenz zwischen beiden bildet. Diese Differenz wird der zweiten Paralleistufe 20 zugeführt, die eine Binärausgabe erzeugt, welche den Betrag darstellt, um welchen die Eingabespannung die nächst darunter befindliche

Grobslufe überschreitet Diese Binärausgabe bildet die

vier niedrigstwertigen Stellen der Ümsetzeraüsgabe,

Die 16 Stufen In der zweiten Parallelstufe 20 betragen je ein Sechzehnte! der Amplitude derjenigen in der ersten Parallelstufe 12. Daher waren, obwohl die Amplitude des Eingabesignals mit einem Teil In 256 ermittelt würde, nur 32 (d.h. 2 X 16) Meßelemente

Λ Λ A S\

hierfür notwendig.

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 der Arbeitsweise des Umsetzers nach Fig. 1 werden nun nachfolgend in Verbindung mit F i g. 3,4 und 5 beschrieben. F i g. 3 zeigt bei A die Ausgabe des Subtraktors 16., wenn eine Gleichstromversetzung 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 übertragungscharakteristik 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

F i g. 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 A gezeigte Fonr. erhalten. Die resultierende Umsetzerausgabe ist bei B angegeben und entsteht, wie in Verbindung mit F i g. 3 beschrieben, jedoch nimmt in diesem Falle die Verzerrung mit zunehmender Signalamplitude zu.

Aus Fig.2B ist ersichtlich, daß die vertikalen Übergänge an der Subtraktorausgabe durch die erste Parallelstufe 12 verursacht werden, welche registriert daß das Eingabesignal eine der Grobstufen 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 F i g. 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 Diese Art von Fehler kann über die ganze Übertragungscharakteristik regellos auftreten.

Diese drei Fehler können direkt additiv sein und wenn der Gesamtfehler auf nicht höher als ±1/2 des Zuwachses zwischen de*i Feinstufen 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Analog-Digital-Umsetzer zu schaffen, bei dem auf einfache Weise im Analogteil auftretende Fehler wirksam korrigiert werden können.

Gemäß der Erfindung gelingt dies durch Einrichtungen zum Feststellen, wenn das Ausgangssignal der Subtrahiereinrichtung einen Bereich überschreitet, der durch die Grobbereichbreite definiert ist und zum Erzeugen eines Kofrektürsignals aufgrund dieser Feststellung, und durch Vorrichtungen zürn digitalen Addieren des digitalen Korroktursignals zum digitalen Ausgangssignal der ersten Digitalisiereinrichtung und zum Verändern des AusgafifcsSsignals der zweiten Dighälisiervorrichtung, so daß ein digitales Ausgangssignal erzeugt wird, das der Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal und einer Grobstufe entspricht, die derjenigen am nächsten liegt, die durch die ersten Digitalisierungseinrichtungen angegeben wird.
Aus der Zeitschrift »Frequenz« Band 17,1968, Nr. 10, Seiten 364 bis 370, ist eine Mehrstufenmethode zur Analog-Digital-Umsetzung bekannt, bei der sich die Bereiche der hintereinandergeschalteten Teilkodierer überlappen. Durch diese Redundanz an Normalen

ίο erreicht man im praktischen Betrieb eine Erleichterung im Hinblick auf Toleranzen. Die Erfindung beschreitet einen anderen Weg dadurch, daß eine Korrektur mit Hilfe eines »Überlaufs« durchgeführt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise in Verbindung mit den übrigen Figuren der Zeichnung weiter beschrieben, und zwar zeigt

F i g. 6 ein Schaltbild eines Analog-Digital-Umsetzers von der in F i g. 1 gezeigten Art in der erfindungsgemäßen Weise modifiziert und

Fig.7 ein Welienformdiagramv welches die Arbeitsweise des modifizierien Umsetzers 'larsieiit

Ein großer Teil des Umsetzers nach Fig.6 ist mit dem nach F i g. 1 identisch, so daß entsprechende Einzelheiten nicht nochmals beschrieben werden.

Einanc^r entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Aus F i g. 6 ergibt sich, daß die zweite Parallelstufe 20 mit zwei Überlaufdetektoren versehen worden ist nämlich mit einem Positivüberlaufdetektor 24 und einem Negativüberlauidetektor 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 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

Die zweite Parallelstufe 20 empfängt ferner Signale aus den Überlaufdetektoren und wird hierdurch mcJifiziert so daß eine »Rückfalte«-Wirkung erhalten wird, d. h, wenn ein positiver Überlauf angezeigt wird, ist die an der Ausgabe der zweiten ?arallelstufe 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 der größten Zahl von Zuwachsbeträgen ist, die angezeigt werden kann, zum Inhalt der zweiten Parallelstufe addiert, so daß, wenn die letztere 5 Zuwchsbeträge unter Null liegt, die Ausgabe der Stufe 20 wie folgt ist: 16 + (—5) = 11.

Die Kombinati;>ii dieser Maßnahmen bewirkt die Überwindung von Fehlern in den Schaltungskomponen ten, die dem Subtraktor 16 vorgeschaltet sind. In F ι g. 7 ist mit voll ausgezogenen Linien die Subtraktorausgabe bei einem Fehler .n der ersten Parallelstufe 12 gezeigt wie vorangehend in Verbindung mit F! g. 5 beschriebea Am Punkt A in F i g. 7 hat die erste Paral|elE|ufe die Stufe 128 registriert und ist die Ausgabe dts Subtraktors und damit der zweiten Parallelstufe NuIL 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 F i g. 1.

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 Parällelstufe 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 123 + 16 = 144. Die Gesamtausgabc 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 Parällelstufe im Umsetzer kann ihre Gesamtwirkung gemessen Werden, welche information dazu verwendet wird, die Ausgabe zu korrigieren. Durch das dargestellte System wird die bisher erforderliche kritische Genauigkeit der ersten Parällelstufe herabgesetzt, was eine höhere Genauigkeit und/oder geringere Herstellungskosten ermöglicht. Ferner kann ein Temperaturdrift geduldet v/erden, ohne daß eine nichllineare Verzerrung die Folge ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einer ersten Digitalisiereinrichtung, durch weiche ein analoges Eingangssignal mit einem aus einer Anzahl von Grop-Amplitudenbereichen in Beziehung gesetzt werden kann, und zur Abgabe eines digitalen Ausgangssignals, welches den Grobbereich anzeigt, in welchen das Eingangssignal fällt einer Subtrahiereinrichtung zum Bestimmen der Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal und der Grobstufe, die dem Grobbereich entspricht, in den das Eingangssignal fällt, und einer zweiten Digitalisiereinrichtung zur Abgabe eines digitalen Ausgangssignals, weiche die erwähnte Differenz anzeigt, gekennzeichnet durch Einrichtungen (24,26) zum Feststellen wenn das Ausgangssignal der Subtrahiereinrichtung (16) einen Bereich überschreitet, der durch die Grobbereichbreite definiert ist und zum Erzeugen eines Kon tktursignals aufgrund dieser Feststellung, und durch Vorrichtungen (28) zum digitalen Addieren des digitalen Korrektursignals zum digitalen Ausgangssignal der ersten Digitalisiereinrichtung und zum Verändern des Ausgangssignals der zweiten Digitalisiervorrichtung (20), so daß ein digitales Ausgangssignal erzeugt wird, das der Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal und einer Grobstufe entspricht, die derjenigen am nächsten liegt, die durch die ersten Digitalisierungseinrichtungen (14) angegeben wird.

2. Analo.'-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Feststelleinrichtungen (24, z6) mit den zweiten Digitalisiereinriclitungen (£0) verbunden ist.

3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtrahiereinrichtung einen Digital-Analog-Umsetzer (14) besitzt, der ein digitales Ausgangssignal von der ersten Digitalisiereinrichtung empfängt, sowie eine analog Subtrahiervorrichtung (16) die das Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers und das analoge Eingangssignal empfängt.