DE2456156A1

DE2456156A1 - Analog-digital-wandler

Info

Publication number: DE2456156A1
Application number: DE19742456156
Authority: DE
Inventors: Masayuki Ikeda
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1973-11-28
Filing date: 1974-11-27
Publication date: 1975-07-10
Also published as: HK45579A; DE2456156C2; US3987435A; MY8000049A; GB1486929A

Description

BLUMBACH · WESFiR ■ BEReEN & KRAMEF?

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÖNCHEN

ING P.G ötUMöACH DiPL-PHYS. DR. W. WESER-DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R.KRAMER

; ■· ■ 8 MÖNCHEN 60,FLOSSMANNSTRASSEiS

;' TELEFON(089) 883603/883604

74/8733

KABUSHIKI KAISHA SUWA SEIKOSHA

, Ginza, Chuo-ku, Tokyo, Japan

Analog-Digital-Wandler

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-(A-D)Wandler, bei dem eine Integration des Analogsignals bzw. der Analogspannung durchgeführt wird. -

A-D-Wandler dieser Art sind bereits vorgeschlagen worden;, sie weisen jedoch Unzulänglichkeiten auf, die sich im einzelnen aus der noch folgenden Beschreibung anhand eines Blockschaltbildes eines solchen vorgeschlagenen A-D-Wandlers ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen A-D-Wandler zu

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PATENTANWÄLTE BLUMBACH, WESER, B = RGENi KRAMEK, 8 MCINCHiN SO, FLOSSMANNSTR. 15

schaffen, der die Unzulänglichkeiten der bereits vorgeschlagenen ' Wandler vermeidet, bei dem der Einfluß einer überlagerten Rausch-Wechselspannung weitestgehend ausgeschaltet wird und der mit einer vereinfachten Steuerschaltung auskommt; der zu schaffende A-D-Wandler soll außerdem eine Multiplikationsfunktion ausüben können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen A-D-Wandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auf der folgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines herkömmlichen A-D-Wandlers,

Fig. la Signalverläufe an verschiedenen Punkten des A-D-Wandlers von Fig .· 1,

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines A-D-Wandlers gemäß der Erfindung_}

Fig. 3a Signalverläufe an verschiedenen Punkten des A-D-Wandlers von Fig, 2 und

Fig. 3b Signalverläufe der Schaltung von Fig. 2 im Zeitpunkt der Erzeugung eines Datenübergabesignals mit einem gegenüber Fig. 3a gedehnten Zeitmaßstab»

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PATENTANWÄLTE BLUMBACH, WESER, BcRGENiKRAMER, S M'INOHsN βθ, FLOS8MANNSTR.1S

In Fig. 1 ist ein herkömmlicher A-D-Wandler mit einer Zweineigungs- bzw. Aufwärts und Abwärtsintegration dargestellt. Der A-D-Wandler enthält einen Integrator 1, einen Komparator bzw. Detektor 2,. der den Ausgangspegel des Integrators erfaßt, eine vom Ausgangssignal des Komparators gesteuerte Torschaltung 3, einen Zähler 4, der Impulse aus der Torschaltung zählt, einen Oszillator 5 und eine Steuerschaltung 6. Nachdem zunächst der Integrator 1 und der Zähler k von einem Rückstellsignal aus der Steuerschaltung 6'zurückgestellt wurden, wird die umzuwandelnde Analogspannung integriert, wenn der Integrationswert einen Bezugswert überschreitet und danach gelangen Impulse vom Oszillator 5 zu dem an die Torschaltung 3 angeschlossenen Zähler U. Nach Ablauf einer in diesem Moment beginnenden Zeit T wird mittels der Steuerschaltung 6 der Eingang des Integrators 1 von der umzuwandelnden Analogspannung auf eine Bezugsspannung entgegengesetzter Polarität umgeschaltet. Wenn daraufhin das Ausgangssignal des Integrators zu dem erwähnten Bezugswert zurückkehrt, wird die Übertragung der Impulse von der'Torschaltung beendet, so daß ein der umzuwandelnden Analogspannung proportionaler Digitalwert eingegeben ist, Als nächstes sorgt ein Datenübergabesignal aus der Steuerschaltung 6 dafür, daß der Zählerstand angezeigt wird, womit die A-D-Umwandlung beendet ist.

Es gilt folgende Gleichung;

τ" = -JL. τ ^s ν

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PATENTANWÄLTE BLUMBACH.WESER, BEI{QEiUKRAMER, β MDfICMEN 6O, FLOSSMANNSTR. 1β

worin V = -J^- \ Vd (2)

χ ^J0

Darin bedeuten V die umzuwandelnde Spannung, T die Zeit, wäh-

Λ. Λ

rend derer die umzuwandelnde Spannung V beginnend beim Bezugswert integriert wird, V^ die Bezugsspanhung und T die Zeit, während derer die Bezugsspannung V integriert wird, bis der anfängliche Bezugswert wieder erreicht ist. Es ist allgemein bekannt, daß eine V überlagerte Rauschwechselspannung ohne Einfluß ist, wenn T ein ganzes Vielfaches der Periodenzeit der Rauschspannung beträgt.

Im Falle des herkömmlichen A-D-Wandlers mit Aufwärts- und Abwärtsintegration wird T durch Einstellung der Frequenz des Oszillators als ganzes Vielfaches der Periodenzeit des überlagerten Rauschens gewählt. Da der herkömmliche A-D-Wandler als Energiequelle eine kommerzielle Energiequelle verwendet, kann auf der Basis der Frequenz dieser kommerziellen Energiequelle eine stabile Zeitbasis T erreicht werden. Wenn ein A-D-Wandler jedoch mittels

einer Batterie betrieben werden soll und keine kommerzielle Energiequelle für ihn benutzt wird, ist es schwierig, einen einfachen und stabilen Oszillator zu erhalten. Ohne Verwendung eines Quarzkristalloszillators ist es schwer, eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen. Da jedoch die Oszillatorfrequenz bei Verwendung eines Quarzkristallschwingers unvermeidlich dazu. bestimmt ist, daß eine verbesserte Unterdrückung des überlagerten

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PATENTANWÄLTE BLUMBACH, WESER, BaRGENiKRAMER, S MHNCHeN BO, FLOSSMANNSTR. 1β

Rauschens erreicht wird, können die billigen Quarzkristallschwinger, die in Massenproduktion für Fernsehempfänger, Armbanduhren etc. hergestellt werden, derzeit nicht in geeigneter Weise für den herkömmlichen A-D-Wandler verwendet werden. Außerdem arbeitet die Steuerschaltung nicht synchron mit dem Taktimpulsosizllator, was zur Folge hat, daß die unterste Stelle des angezeigten aus der Umwandlung hervorgegangenen Wertes flackert und einen Benutzer verärgert. Schließlich erfordert der Oszillator für die Steuerschaltung einen Kondensator mit großer Kapazität; bei Verwendung von Flüssigkristallen zur Anzeige ist sogar ein zusätzlicher Oszillator für den Antrieb der Flüssigkristalle erforderlich. Die herkömmliche A-D-Umwandlungsmethode erfordert daher viele Kondensatoren, die von außen zugeschaltet"werden müssen, auch wenn der Wandler als integrierte Schaltung aufgebaut ist. Es entstehen dadurch hohe Produktionskosten.

Der erfindungsgemäße A-D-Wandler vermeidet die obengenannten Unzulänglichkeiten und ermöglicht darüberhinaus eine Multiplikation des Analogwertes und des Digitalwertes. In Fig. 2 ist die Schaltung des erfindungsgemäßen A-D-Wandlers schematisch dargestellt; die Fig. 3a und 3b zeigen Signalverläufe in der Schaltung von Fig. 2.

Der erfindungsgemäße A-D-Wandler enthält Analogschalter S₁, S₂ und S₃, einen Integrator Ii, einen Komparator 12, ein Flipflop 8, eine Differenzierschaltung 7, einen Zähler 14, einen Taktimpuls-'

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PATENTANWÄLTE BLUMBACH, WESER, BcRGENaKRAMER, B ΜΓΪΝΟΗ6Ν 6O, FLOSSMANNSTR. 1S

Oszillator 15, eine Steuerschaltung 16, eine Voreinstelleinrichtung 9 zur Voreinstellung eines Digitalwertes, einen Koinzidenzdetektor 10, einen Speicher 13, der ausgelöst durch einen Triggerimpuls den Zählerinhalt übernimmt, sowie einen Schalter S₁₊ zur Rückstellung des Integrators.

Als Beispiel wird der erfindungsgemäße A-D-Wandler als ein solcher mit einem Endwert von 1999 beschrieben, der einen für eine Armbanduhr gedachten Quarzschwinger mit einer Frequenz von 16384 Hz im Taktimpulsoszillator verwendet. Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist.

Der quarzgesteuerte Oszillator 15 ist direkt mit dem Zähler IH verbunden, der ständig zählt und eine Teilung der Impulse vom Oszillator durchführt. Im Falle des A-D-Wandlers mit einem Endwert von 1999 besteht der Zähler 14 aus drei Stufen mit Dezimalzählern 17, 18 und 19 und drei Stufen mit Binärzählern 20, 21 und 22. Die eine obere Stufe des Binärzählers wird zur Zählung des digitalisierten Analogwertes verwendet, während die unteren beiden Stufen zur Steuerung der Analogschalter S., S₂, S. und S^ dienen, indem sie die Steuerschaltung 16 mit Signalen beaufschlagen.

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen A-D-Wandlers wird zunächst die umzuwandelnde Spannung integriert; die Integration beginnt zu einem Zeitpunkt, in dem sich der Zähler 14 in einem zurückgestellten Zustand befindet und endet, wenn der Zählerinhalt einen

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PATENTANWÄLTE .BLUMBACH, WESER, BERGENdIKRAMES, ε WJNOHEN SO, FLOSSMANNSTR. 18

Wert N erreicht, der mittels der Voreinstelleinrichtung 9 als Digitalwert vorgegeben wurde. Während dieser Zeit ist der Schalter S. geschlossen. Wenn der Zählerinhalt den Wert N erreicht, liefert der Koinzidenzdetektor 10 ein Koinzidenzsignal an die Steuerschaltung 16, in dessen Folge der Schalter S. geöffnet wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß gleichzeitig die Zähler 17, 18, 19 und 20 auf Null zurückgestellt werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Aus- gang des Integrators 11 saLange auf dem bei Auftreten der Koinzidenz erreichten Wert gehalten,.bis die Zähler 17, 18, 19 und 20, die den digitalisierten Analogwert zählen, überlaufen. Mit dem Überlaufen der Zähler 17 - 20 erreichen diese ebenfalls den Zählerstand ¹¹O", In dem Moment, in dem die· Zähler 17 - 20 auf die eine oder die andere Weise den Stand 0 erreicht haben, wird von der Steuerschaltung 16 eine Bezugsspannung mit gegenüber dem umzuwandelnden Spannung entgegengesetzter Polarität ausgewählt" und an den Eingang des Integrators 11 gelegt. Der Integrator beginnt dann eine Integration in der entgegengesetzten"Richtung. Wenn das Ausgangssignal des Integrators-auf den ursprünglichen Bezugswert zurückkehrt, wird das Ausgangssignal des Komparators 12 invertiert; das Ausgangssignal des Komparators wird synchron mit einem Taktimpuls vom Oszillator 15 in das Flipflop 8 übernommen. An das Flipflop 8 ist eine Differenzierschaltung 7 angeschlossen. Das Aüsgangssignal des Flipflops 8 wird von dieser Differenzierschaltung 7 differenziert und als Datenübergabesignal

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PATENTANWÄLTE BLUM BACH, WESER, BERCEN * KRAM Ert, 8 MÜNCHEN 6O, FLOSSMANNSTR. IB

an den Speicher 13 gegeben. Mit Auftreten des Datenübergabesignals wird der zu dieser Zeit vorhandene Zählerinhalt in. den Speicher übernommen und gespeichert. Wenn beispielsweise das Flipflop 8 mit der Anstiegsflanke des Taktimpulses und der Zähler 14 mit dessen AbfalManke getriggert werden, kann verhindert werden, daß Fehler dadurch auftreten, daß das Datenübergabesignal und die Triggerung durch den Taktimpuls gleichzeitig am Zähler auftreten. Die in den Speicher eingelesenen Daten stellen einen der umzuwandelnden Spannung proportionalen Digitalwert dar, der dekodiert wird und als Ergebnis der Analog-Digital-Umwandlung angezeigt oder als elektrisches Signal zu anderen elektrischen Schaltungen geführt werden kann. Wenn die Zähler 17 20 erneut überlaufen, wird der Zähler 22 gesetzt. Der Ausgang des Zählers 22 ist mit der Steuerschaltung 16 verbunden, die ein Rückstellsignal an den Integrator 11 liefert, der daraufhin zurückgestellt wird. Damit ist die Analog-Digital-Umwandlung beendet. Der zeitliche Zusammenhang zwischen dem Zählerinhalt und dem Eingang des Integrators 11 kann selbstverständlich auch anders sein als oben anggeben. Beispielsweise wäre es möglich, daß die umzuwandelnde Spannung nicht beginnend zu dem Zeitpunkt, in dem der Zähler zurückgestellt ist, sondern beginnend mit irgendeinem gewissen Zählerstand integriert wird; die Steuerschaltung 16 wird dann allerdings etwas komplizierter werden.

Die überlagerte Rauschspannung hat eine Frequenzkomponente von

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ΡΑΪΕΝΓΑΜ\ν<.1."Ε SLUMBACH, WESER. BEIiQE₁JaKRAMER, S "VIOMOHEN SO, FLO3SMANNSTR, 15

"■■-..- 9 _

hauptsächlich 50 oder 60 Hz,welches eine kommerzielle "bzw. Fetzfrequenz darstellt. Um dieses überlagerte Rauschen auszuschalten, sollte die Integrationszeit der umzuwandelnden Spannung ein ganzzahliges Vielfaches von 100 msec "betragen. Da ein Zähler mit einem Endwert von 1999 und ein Quarzschwinger mit einer Frequenz von 16380 Hz verwendet werden, "beträgt die Integrationszeit von der Rückstellung des Zählers bis zu einem Endwert ungefähr 122,1 msec; damit kann das Ziel, das überlagerte Rauschen auszuschalten, nicht erreicht werden. Venn jedoch mittels der Voreinstelleinrichtung 9 der Digitalwert 1638 voreingestellt wird, beträgt die Integrationszeit für die umzuwandelnde Spannung ungefähr 99»98 msec, so daß das überlagerte Rauschen auf ein Verhältnis von 0,02 % (-74-dB) vermindert wird. Der Einfluß der überlagerten Rauschwechselspannung kann daher vernachlässigt werden.

Da außerdem der A-D-Wandler völlig synchron mit der Steuerschaltung ist, ergibt sich im Gegensatz zum herkömmlichen A-D-Wandler, bei dem getrennte Oszillatoren für die Taktimpulse und die Steuerschaltung vorhanden sind, kein Flackern des umgewandelten Wertes in der niedrigsten Stelle. Da der Zähler ständig mit Taktimpulsen versorgt wird, können sogar von jeder seiner Teilerstufen eine Wechselspannung für den Antrieb eines Flüssigkristalls oder Taktimpulse für einen Multiplexer abgeleitet werden. Da der umgewandelte Wert proportional dem durch eine Betätigung von außen voreingestellten Digitalwert ist, kann eine Multiplikation

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PATENTANWÄLTE BLUMBACH, WESER, OER3EN & KFIAMFR, β MÜNCHEN 6O₁ FLOSSMANNSTR. IS

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zwischen dem umzuwandelnden Analogwert und dem voreingestellten Digitalwert erzielt werden. Es ist auch möglich, den Bezugswert entsprechend der Voreinstelleinrichtung änderbar zu machen; durch Einstellung des Digitalwertes und des Bezugswertes kann dann ein hohes Unterdrückungsverhältnis für überlagerte Rauschspannungen jeder beliebigen Frequenz erreicht werden.

Wie erwähnt, kann für den erfindungsgemäßen A-D-Wandler ein allgemein verwendeter Quarzschwinger in einem Taktimpulsoszillator benutzt werden, da die Integrationszeit für die umzuwandelnde Spannung geeignet eingestellt wird. Da der Zähler außerdem ständig mit Taktimpulsen beaufschlagt wird, können von ihm verschiedene Wechselspannungen einschließlich Steuersignale abgeleitet werden, so daß es unnötig ist, getrennte Oszillatoren für verschiedene Schaltungsteile einschließlich einer Steuerschaltung vorzusehen. Dies hat zur Folge, daß die erfindungsgemäße Schaltung leicht als integrierte Schaltung ohne irgendeinen Kondensator mit großer Kapazität hergestellt werden kann. Da die Steuerschaltung außerdem völlig synchron mit dem Zähler läuft, kann auch für die niedrigste Stelle des zu einem Digitalwert umgewandelten Analogwerts eine stabile Umwandlung erreicht werden, Der erfindungsgemäße A-D-Wandler eignet sich besonders gut für einen Batteriebetrieb, bei dem es normalerweise schwierig ist, eine stabile Zeitbasis zu schaffen, Der erfindungsgemäße A-D-Wandler ist daher sehr nützlich.

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PATENTANWÄLTE BLUMBACH, WESER, BERQEN & KKAMtR, 3 KÜNCI!3N βθ, FLOSSMANNSTR. 16

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Zusammengefaßt wird mit der Erfindung ein A-D-Wandler geschaffen, bei dem der Beginn der Umwandlung des Analogwertes in einen Digitalwert mit dem Ausgang des ständig zählenden Zählers synchronisiert ist, um ein Flackern der niedrigsten Stelle des gezählten Ergebnisses zu vermeiden; durch Fortlassen der mit dem Oszillator verbundenen Torschaltung und des !Comparators für die Steuerschaltung sowie durch Verbessern der Zeitsteuerung der Integration bei Verwendung eines Taktimpulsoszillators mit einer frei wählbaren Frequenz, kann die Unterdrückungseigenschaft für überlagertes Rauschen verbessert werden.

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Claims

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Pat ent ansprüche

JL.Analog-Digital-Wandler, bei dem eine Integration des Analogsignals bzw. der Analogspannung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Integrationszeit von außen einstellbar bzw. änderbar ist.

2. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Zähler (1.4) die Impulse eines Oszillators (15) zur Erzeugung von Impulsen bzw. Spannung simpulsen zählt, wobei die Zeit, während derer der Zähler zählt, von außen einstellbar bzw. änderbar ist.

3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch wenigstens

einen Integrator (11) zur Erzeugung einer der Dauer der Integration einer Eingangsspannung -(V ) proportionalen Spannung, eine BezugsSpannungsquelle (+V , -V ),

S S

Schalter (S₁ - S₃) zur Herstellung und Unterbrechung einer Verbindung zwischen dem Integrator und der umzuwandelnden Analogspannung bzw. der Referenzspannung,

einen Detektor (12) zum Erfassen des Ausgangssignals des Integrators,

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PATENTANWÄLTE BLUMBACH, WESER, BEKGEN & KRAMER, 8 TiAdMCh)EN 6O, FLOS8MANNSTR. IB

- eine Voreinstelleinrichtung (9) zur Voreinstellung eines die Integrationszeit der Analogspannung bestimmenden Digitalwertes (N),

einen Oszillator (15) zur Erzeugung von Taktimpulsen fester Frequenz, ■

einen direkt an den Oszillator angeschlossenen Zähler (IH) zur ständigen Frequenzteilung der Taktimpulse, einen Speicher (13) zur Aufnahme und Speicherung des Zählerinhalts abhängig von Signalen vom Detektor, einen Koinzidenzdetektor (10) zur Feststellung der Koinzidenz des Zählerinhalts mit dem voreingestellten Digitalwert.

U. Verfahren zur Umwandlung einer Analogspännung in einen Digitalwert unter Verwendung des Analcg-Digital-Wandlers nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

(a) Integration der Analogspannung (V ) beginnend beim Zählerstand Null und einem Bezugsausgangspotential des Integrators (11),

(b) Stoppen der Integration, wenn ein Zählerstand erreicht wird, der dem in der Voreinstelleinrichtung (9) eingestellten· Digitalwert (N) gleicht,

Cc) anschließendes Integrieren der Bezugsspannung mit der der Analogspannung entgegengesetzten Polarität, wiederum beginnend beim Zählerstand Null,

Cd) Übernehmen des Zählerstands in den Speicher (13) in dem Moment, wo der Ausgang des Integrators (11) wieder das Bezugspotent ial erreicht,

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PATENTANWÄLTE BLUMBACH, WESER, BEKQENAKRAMER, 8 MDHCHEN βθ. FLOSSMANNSTR. 15

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5. Verfahren nach Anspruch M-, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (17, 18, 19, 20) gleichzeitig mit Schritt (b) zurückgestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (17, 18, 19, 20) nach Schritt (b) durch Überlaufen den Zählerstand Null erreicht, wobei der Ausgang des Integrators (11) bis zum Schritt (c) auf dem bei Schritt (b) erreichten Potential gehalten wird.

7. Analog-Digital-Wandler, bei dem ein Zähler (17, 18, 19, 20) die Impulse eines Oszillators (15) zur Erzeugung von Impulsen bzw. Spannungsimpulsen zählt, dadurch ge kennzeich net, daß die Zeit, während derer der Zähler zählt, von außen einstellbar bzw. änderbar ist.

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