DE2549626A1

DE2549626A1 - Analog-digital-wandler

Info

Publication number: DE2549626A1
Application number: DE19752549626
Authority: DE
Inventors: Yuichi Ninomiya
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1974-11-06
Filing date: 1975-11-05
Publication date: 1976-05-13
Also published as: DE2549626C3; DE2549626B2; GB1533553A; NL164437B; FR2290794A1; JPS558051B2; FR2290794B1; NL164437C; NL7513029A; US4110745A; JPS5153445A

Description

NIPPON HOSO KYOKAI
Tokyo / Japan

ANALOG-DIGITAL-WANDLER

Die Erfindung betrifft Analog-Digital-Wandler, die sich dazu eignen, ein Analogsignal, "besonders ein solches mit periodisch auftretenden, konstanten Gleichspannungswerten wie etwa ein Fernsehbildsignal, in ein Digitalsignal mit hoher Genauigkeit umzuwandeln, ohne daß Gleichspannungs-Drift er scheinungen, die in den Signalen und den Schaltkreiselementen auftreten, Einfluß haben können.

Bei der Umwandlung von Fernsehbildsignalen in Form von Analogsignalen in Digitalsignale, z.B. in PCM-Signale, die dann auf der Empfängerseite wieder in Analogsignale zurückverwandelt werden müssen, so daß Fernsehbilder von hoher Qualität erzeugt werden können, müssen Umsetzgeschwindigkeiten von Analog auf Digital in der Größe von 86 Mbits/sek_e (10,74 MHz, 8 bits/Wort) z.B. erreicht werden, wenn die Umsetzung für das NTSC-Standardsystem erfolgen soll. Dies ist deswegen der Fall, weil ein Taktintervall etwa 93 ns dauert, und es ist nötig, 8 bits je Bildelement zu entscheiden. Um die Zeit für die Bereitstellung eines speziellen Signals in derart kurzer Zeitspanne zu haben, ist es erforderlich, die Arbeitsdauer der Schaltkreiselemente kleiner als 2 - 3 ns zu machen«,

Digitale Schaltkreiselemente, die eine derart hohe

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Arbeitsgeschwindigkeit haben, lassen sich mit hochgeschwindigkeits-logischen Schaltkreiselementen "bilden, z.B„ EGL (Emitter gekoppelte Logiktype) und andere» Derzeit jedoch können analoge Kreise wie Spannungskomparatoren und dergl. allenfalls mit einer derart hohen Geschwindigkeit arbeiten, wenn Transistoren als diskrete Elemente verwendet werden, die eine Abschaltfrequenz von 5 GHz haben. Damit wird aber die gesamte Schaltungsanordnung unvermeidbar teuer.

In einem rückkoppelnden Analog-Digital-Wandler, wie er beispielsweise in "On the Experimental Ultra-High Speed CODEC¹¹ ("OKIDEF Review», vol. 37, No. 4, Dec. 1970, pp 48-64). gezeigt ist, der unter Verwendung diskreter Schaltkreiselemente hergestellt ist, um ein Fernsehbildsignal in Digitalsignale umzusetzen, wurde eine derartig hohe Umsetzgeschwindigkeit, wie sie oben genannt wurde, erreicht. Es ist jedoch derzeit unmöglich, eine derart hohe Umsetzgeschwindigkeit unter Verwendung integrierter Schaltkreiselemente in einem rückkoppelnden Analog-Digital-Wandler zu erzielen.

In einem Kaskadentyp-Analog-Digital-Wandler, der anstelle der Rückkopplungstype verwendet wird, können in gewissen Wandlerstufen langsame Schaltkreiselemente eingesetzt ' werden, da ein Eingangssignal, das in ein Digitalsignal umgesetzt werden soll, durch Verzögerungskreise in den einzelnen Wandlerstufen nacheinander verzögert wird. Das heißt, ' der Kaskaden-Analog-Digital-Wandler besteht, wie dies Figur der Zeichnung zeigt, aus einer bestimmten Anzahl von Einheits-Wandler stuf en, die in Kaskade geschaltet sind«. Jede der Einheitsstufen besteht aus einem Verzögerungskreis 4, der dazu dient, einem einer Eingangsklemme 1 zugeführten Analogsignal, z.B. einem Fernsehbildsignal, durch Aufprägen einer Verzögerung die Signalfolgen einzustellen; ferner ist ein Vergleichskreis 2 vorhanden, der das Eingangssignal mit einem

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Bezugssignal vergleicht und ein Digitalsignal von "1" oder "0" "bildet als Ergebnisausgang des vorgenommenen Vergleichs, ein Digital-Analog-Wandler 3, der das Digitalsignal, das der Komparator 2 abgibt, in ein entsprechendes Analogsignal umwandelt, und ein Operationsverstärker 5, der ein Differential-Ausgangssignal des Eingangssignals bildet, das ihm vom Verzögerungskreis 4 zugeführt wird, sowie des Analogsignals, das er vom Wandler 5 erhält, wobei das Differential-Ausgangssignal dann Eingangssignal der nächsten Stufe ist. Das vom Komparator 2 abgegebene Digitalsignal wird auch an einer Klemme 6 als Ausgangswert der jeweiligen Stufe durch einen Verzögerungskreis 7 abgenommen.

Es können zwar langsam arbeitende Schaltkreiselemente bei diesem Kaskaden-Analog-Digit al-Wandler verwendet werden, doch werden Verzögerungskreise, Operationsverstärker und andere Baugruppen benötigt, die nur verhältnismäßig kleine G-leichspannungsdriften haben dürfen. Dies deshalb, weil die Gleichspannungskomponenten der Signale, die behandelt werden, unter dem Einfluß der Gleichspannungsdriften dieser Schaltungselemente verändert werden, so daß dadurch die Genauigkeit der Ge samt schaltung verschlechtert werden kaiin.

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, einen Analog-Digital-Wandler und speziell einen Kaskaden-Wandler zu schaffen, der hohe Genauigkeit bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit hat, ohne daß dazu Schaltungselemente verwendet werden müssen, die nur sehr kleine Gleichspannungsdriften haben, und außerdem unter Verwendung von langsam arbeitenden Schaltkreiselementen.

Ferner soll mit einem derartigen Wandler der Einfluß, den die Gleichspannungsdrift in den Schaltkreiselementen hat sowie in den Eingangssignalen des Analog-Digital-Wandlers ausgeschaltet werden, indem ein Gleichspannungs-Klammerkreis benützt wird, der in keinem Fall die umzusetzenden Signale

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verschlechtert, sofern die Signale periodisch wiederkehrende, konstante Gleichspannungspegel haben.

Es ist bekannt, das Gleichspaimungsverklammern von Signalen mit konstanten, periodisch wiederkehrenden Gleichspannungspegeln, z.B. Fernsehbildsignalen, zur Unterdrückung des durch Schwankungen von Gleichspannungskomponenten der Signale hervorgerufenen Einflusses einzusetzen. Die Gleichspannungsverklaramerung hat jedoch so wesentliche Fehler wie den folgenden.

Es ist schwierig, einen Gleichspannungs-Klammerkreis auszulegen und einzustellen, ohne daß die Bildqualität des von ihm verarbeiteten Fernsehsignals Schaden nimmt. Die vom Klammerkreis erzeugten Yerklammerungsimpulse verschlechtern nämlich die zu verklammernden Signal* wegen Schwunderscheinungen.

Ein Analog-Digital-Wandler gemäß der Erfindung, in dem ein Eingangssignal wie ein Fernsehbildsignal und Bezugssignale mit aufeinander folgenden unterschiedlichen Pegeln miteinander verglichen werden und ein Digitalsignal als Ausgang gebildet wird, das sich aus den Vergleichen ergibt, enthält einen Klammerkreis, der das Eingangssignal nicht in der oben genannten üblichen Weise verklammert, sondern der die Bezugssignale im Verhältnis zu Bezugspegeln, die periodisch im Eingangssignal auftreten, verklammert, z.B. in bezug zu einem Pegel der Horizontal-Synchronisier-Signale in einem Fernsehbildsignal, so daß es möglich ist, den durch Gleichspannungsdrift, die in den Eingangssignalen und in den Schaltkreiselementen des Wandlers auftritt, hervorgerufenen Einfluß auszuschalten.

Das heißt, ein Analog-Digital-Wandler nach der Erfindung

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hat das besondere Merkmal, daß er einen Klammerkreis der vorstellend aufgeführten Art zusammen mit Komparatoren verwendet, die das Eingangssignal und Bezugssignale miteinander vergleichen und als Ausgangsgrößen aus diesen Vergleichen Digitalsignale bilden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nun an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1: ein Blockdiagramm des grundlegenden Schaltungsaufbaus eines Kaskaden-Analog-Digital-Wandlers ;

Figur 2: ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Einheitsstufe des Kaskaden-Wandlers, der aus Analog-Digital -Wand!erstufen gemäß der Erfindung besteht für den Fall, daß 1 bit eines Digital signals je Stufe entschieden wird;

Pigur 3'· ein Blockdiagramm einer anderen Einheitsstufe eines Kaskaden-Wandlers, der aus Analog-Digital-Wandlerstuf en nach der Erfindung besteht, wobei 3 bits eines Digitalsignals je Stufe entschieden werden;

Figur 4: ein Erläuterungsdiagramm, das die Wellenform eines

Signals zeigt, in welchem zu beiden Seiten von ■ konstanten Bezugspegeln Infürmationssignale verteilt sind; und

Pigur 5: ein Blockdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels einer Einheitsstufe eines Kaskaden-Wandlers, der aus Analog-Digital-Wandlerstufen gemäß der Erfindung besteht, wobei je Stufe 3 bits des Digitalsignals entschieden werden.

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Ein Analog-Digital-Wandler nach, der Erfindung wird vornehmlich dazu verwendet, solche Analogsignale in Digitalsignale zu verwandeln, in denen Bezugs-Gleichspannungspegel, z.B. Horizontal-Synchronisier-Signale eines Fernsehsignal, periodisch verteilt sind, insbesondere nur auf einer Seite eines Informationssignais. Gemäß der Erfindung werden Bezugssignale zum Vergleich mit den Bezugs-Gleichspannungspegeln verklammert, die in den Analogsignalen enthalten sind, und zwar während der Dauer der Bezugspegel, so daß der durch verschiedene Arten von Gleichspannungsdriften hervorgerufene Einfluß auf die Genaiiigkeit der Umsetzung ausgeschaltet wird.

Figur 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Stufe eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für den vorstehend genannten Zweck darstellt, wobei 1 bit eines Digital-Ausgangssignals pro Einheitsstufe des Easkaden-Analog-Digital-Wandlers entschieden wird.

In dem Blockdiagramm nach Figur 2 sind die mit den Ziffern 1-7 gekennzeichneten Schaltkreisblocks dieselben . wie in Figur 1, so daß alle diese Schaltkreisblocks mit Ausnahme, der Vergleichs schaltung 2 üblich gestaltet sind. So besteht beispielsweise ein Digital-Analog-Wandler 3 aus einem Spannungsteiler, und ein Verzögerungskreis 4 besteht aus einem analogen Schieberegister oder einem analogen Speicher.

In dem Wandler können die umgesetzten Digitalsignale simultan oder parallel miteinander von den Ausgangsklemmen 6 der jeweiligen Wandlerstufen abgenommen werden, wobei je Stufe jeweils 1 bit des Ausgangs-Digitalsignals entschieden wird, so daß langsam arbeitende Schaltkreiselemente auch für eine sehr schnelle Umsetzung verwendet werden können.

Im Blockdiagrarrm der Figur 2 ist der Vergleichskreis 2,

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der die Fähigkeit hat zu verklammern, mit zwei Komparatoren

8 und 9 bestückt. Die Eingangskiemme 1 ist üblich mit je einer Eingangsklemme der Komparatoren 8 und 9 verbunden, während die Ausgangski emme nur des !Comparators 8 mit dem Digital-Analog-Wandler 3 und außerdem über den Verzögerungskreis 7 auch mit der Ausgangsklemme 6 verbunden ist. Der Komparator 9 und die übrigen, später noch zu beschreibenden Schaltkreiselemente bilden zusammen mit einer Quelle für die Bezugssignale für den Vergleich den bereits genannten Klammerkreis.

Die Mittel für die Zuführung der Vergleichs-Bezugsspannungen v/eisen eine Reihenschaltung auf, die aus einer Konstantstromquelle 10 und einem Widerstand 11 zusammengesetzt ist, wobei eine Klemme 12 des Widerstandes 11 mit dem zweiten Eingang des Komparators 8 und die andere Klemme 13 des Widerstandes 11 mit dem zweiten Eingang des Komparators

9 verbunden ist. Außerdem ist der Verbindungspunkt 17 einer aus einem Widerstand 15 von hohem Widerstandswert und einem Kondensator 16 gebildeten Reihenschaltung mit der Ausgangsklemme des Komparators 9 über eine Diode 14 mit umgekehrter Durchlaßrichtung verbunden. Der zweite Anschluß h8 des Widerstandes 15 wird mit einer positiven Gleichspannung versorgt, während der zweite Belag des Kondensators 16 an Massepotential liegt· Zwischen dem Anschlußpunkt 17 und dem zweiten Anschluß 13 des WiderStandes 11 liegt eine Rückkopplungsleitung 20, in die ein Puffer 19 eingeschaltet ist.

Der von einer gestrichelten Linie in Figur 2 umgebene Vergleichskreis 2 arbeitet folgendermaßen, wenn ihm an der Eingangsklemme 1 ein Fernsehbildsignal zugeführt wird. Der Komparator 9 vergleicht die Spannung zu Beginn des Horizontal-Synchronisier-Signals des Pernsehsignals mit einer an der Klemme 13 des Widerstandes 11 auftretenden Spannung. In diesem Augenblick führt die Konstantstromquelle 10 dem Wider-

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stand 11 einen Strom zu, und die am Anschlußpunkt 17 zwischen Widerstand 15 und Kondensator 16 auftretende Spannung wird auf einem konstanten VJert gehalten, da die positive Gleichspannung der Klemme 18 des Widerstandes 15 zugeführt wird. Dann ist die an der Klemme 13 auftretende Spannung gleich der Spannung am Anschlußpunkt 17> denn der Puffer 19 ist so gebildet, daß er einen Verstärkungsfaktor 1 und eine sehr kleine Gleichspannungs-Abweichung hat_o Bevor das Fernsehbildsignal der Eingangsklemme 1 zugeführt wird, wird die Spannung am Anschlußpunkt 17, d.h. die Spannung an der Klemme 13 des Widerstandes 11, gegenüber der Spannung zu Beginn des Synchronisiersignals des Pernsehbildsignals, das eine negative Polarität hat, auf einen hohen Wert gebracht. Wenn ein Synchronisiersignal des Fernsehbildsignals dann den Eingangsklemmen 1 zugeleitet wird, gibt der Komparator 9 ein Ausgangs signal I¹O" ab, da die Spannung an der Klemme 13 des Widerstandes 11 höher ist als die Spannung zu Beginn des Synchronisiersignals. Dadurch liegt an der Diode 14 eine Spannung in Durchlaßrichtung an, so daß diese leitend wird. Es fließt dann die im Kondensator 16 gespeicherte elektrische Ladung über die Diode 14 in den Komparator 9, wodurch die Spannung am Anschlußpunkt 17 absinkt. Somit sinkt auch die Spannung an der Klemme 13 des Widerstandes 11. Sobald die Spannung an der Klemme 13 niedriger wird als die Spannung des Synchronisiersignals im Fernsehbildsignal am Eingang, gibt der Komparator 9 das Ausgangssignal "1" ab. Damit kommt die Diode 14 in den Sperrzustand, so daß wiederum der Kondensator 16 durch die an der Klemme 18 anliegende Gleichspannung aufgeladen wird. Das Aufladen des Kondensators 16 geht jedoch sehr langsam!vor sich, da der Wert des Widerstandes 15 sehr groß ist. Auf diese Weise wird die Spannung am Kondensator 16, d.h. die am Anschlußpunkt 17 praktisch gleich dem Wert, auf den sie sich eingestellt, hat, wenn vom Komparator 9 das Au3gangs-

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signal "1" abgegeben wird.

Somit wird die Spannung an der Klemme 13 des Widerstandes 11 ebenfalls ungefähr gleich der Spannung des Synchronisiersignals des 3?ernsehbildsignals am Schaltungseingang. Bis das nächste Synchronisiersignal der Eingangsklemme 1 zugeführt wird, bleibt die Ausgangsklemme des !Comparators 9 fortwährend auf den Zustand "1" geschaltet, da die Spannungen der Bildinformationssignale des Pernsehsignals, welches innerhalb des Intervalls auftritt, höher sind als die Spannung an der Klemme 13. Dadurch wird für die Dauer der Bildinformationssignale des Pernsehsignals die Spannung an der Klemme 13 auf einem Wert gehalten, der der Spannung der Synchronisiersignale entspricht. Es wurde zwar an früherer Stelle bereits erwähnt, daß der Puffer 19 einen Verstärkungsfaktor von 1 und einen sehr kleinen Gleichspannungsabfall haben soll, doch ist diese Einschränkung für den Puffer 19 nicht erforderlich, da die durch die Hückkopplungsstrecke 20 bedingte Verstärkung der Kopplungs-SGhleife sehr hoch ist, wenn die Diode 14 leitend ist.

Durch die beschriebene Wirkungsweise ist die Bezugsspannung für den Vergleich, die an der Klemme 12 des Widerstandes 11 erscheint und dann dem Komparator 8 zugeführt wird, mit der Spannung der Synchronisiersignale des Eingangs-Pernsehsignals verklammert. Pur die erste Wandlerstufe des Kaskaden-Analog-Digital-Wandlers sollte ein Verklammerungspegel der Bezugsspannung für den Komparator 8 vorzugsweise auf die Hälfte eines dynamischen Bereichs eingestellt werden, d.h. der Maximal spannung Vm in Volt des Fernsehbildsignals. .Wenn die Spannungen des Pernsehbildsignals am Eingang höher sind als die Bezugsspannung, wird vom Komparator 8 das Ausgangssignal "1" abgegeben, während das Ausgangssignal "0" ist, wenn die Spannungen niedriger sind. Diese Ausgangssignale können an den Ausgangsklemmen 6 über Verzögerungs-

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kreise 7 abgenommen werden, und sie werden gleichzeitig auf den Digital-Analog-Wandler 3 gegeben. Das umgesetzte Ausgangs signal von 1/2 Vm Volt, das gleich der Bezugsspannung für den Komparator 8 ist, wird vom Digital-Analog-Wandler 3 abhängig vom "1"-Ausgangssignal des Komparators 8 gebildet, welches die unterste Stelle des Ausgangs-Digitalsignals darstellt. Ein umgesetztes Ausgangssignal von Ö Volt wird vom Digital-Anal og-Wandl er 3 dann abgegeben, wenn der Komparator 8 das Ausgangssignal "0" hat. Das über den Verzögerungskreis 4 verzögerte Fernsehbildsignal und das Ausgangs signal des Digital -Analog-Wandlers 3 von 1/2 Vm oder 0 Volt werden dem Operationsverstärker 5 zugeleitet, der an seinam Ausgang dann aus der Differenz dieser beiden Eingangssignale sein Ausgangssignal bildet. Dieses Differenz-Ausgangssignal wird dann der Eingangsklemme 1 der nächsten Wandlerstufe des Kaskaden-Wandlers zugeführt.

In der nächsten Wandlerstufe wird die Spannung des Differential-Ausgangssignals aus der ersten Wandlerstufe mit einer Bezugsspannung verglichen, die auf 1/4 Vm Volt eingestellt ist, d.h. auf die Hälfte der Bezugs spannung der ersten Wandlerstuf e. Der Vergleich mit der Bezugs spannung von 1/4 Vm Volt geschieht genauso wie in der ersten Wandlerstufe, indem die Werte des Widerstandes 11 und der den Spannungsteiler bildenden Widerstände des Digital-Analog- Wandlers 3 geeignet gewählt werden.

Mit entsprechenden Wandlerstuf en der Kaskade .werden dann weitere Vergleiche gegenüber den Bezugs-Vergleichsspannungen 1/8 Vm Volt, 1/16 Vm Volt usw. vorgenommen. Wenn der Vergleich in der letzten Wandlerstufe ausgeführt ist, werden die Ausgangs signale der Komparatoren 8 jeder Wandlerstufe an den Ausgangsklemmen 6 über die Verzögerungskrsise 7 abgenommen, so dai'3 entsprechende bits eines

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binär-codierten Signals parallel als Ausgangswert des Kaskaden-Analog-Digital-Wandlers abgenommen werden können. Die Vergleichs-Bezugsspannungen sind in dem beschriebenen Beispiel auf die Werte 1/2 Vm Volt, 1/4 Vm Volt, 1/8 Vm Volt usw. eingestellt, wobei der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 5 den Wert 1 hatte, doch können auch die Bezugsspannungen alle auf den Wert 1/2 Vm Volt eingestellt werden, wenn der Verstärkungsfaktor der Operationsverstärker 5 den Wert 2 hat.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist als Kaskaden-Wandler ausgebildet, mit dem langsam arbeitende Schaltkreiselemente benützt werden können. Wenn jedoch verhältnismäßig schnell arbeitende Schaltkreiselemente eingesetzt werden, ist es möglich, eine andere Ausführungsform des Kaskaden-Wandlers zu bilden, in dem mehr als 2 bits je Kaskadenstufe entschieden werden können, und für den Pall des Einsatzes schnell schaltender Schaitkreiselemente oder wenn ein Digital-Ausgangssignal mit einer erforderlichen Form erhalten werden kann, ist es auch möglich, eine Ausführungsform zu schaffen, in der sämtliche, das benötigte Digitalsignal ergebende bits, in einer Wandlerstufe gebildet werden können. ^

Figur 3 zeigt das Blockdiagramm einer Ausführungsform der Einheitsstufe eines Kaskaden-Analog-Digital-Wandlers nach der Erfindung, in der 3 bits je Stufe gebildet werden."

Ein Vergleichskreis 2, der durch eine gestrichelte linie umschlossen ist, kann bei dem Digital-Analog-Wandler so eingesetzt werden, daß ein benötigtes Digitalsignal als Ausgangssignal erhalten wird. Der Vergleichskreis 2 besteht aus sieben Komparatoren 21 - 27, die parallel zueinander angeordnet sind, einer Reihenschaltung aus einer Konstant stromquelle 28 und sieben Widerständen 29 - 35, einem Klammer-

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kreis 36 und einem Code-Wandler 37· Der Klemmkreis 36, der wiederum mit einer gestrichelten Linie umschlossen ist, hat denselben Aufbau wie der in Figur 2 gezeigte. Der Code-Wandler 37 ist über drei Anschlußleitungen 38, 39, 40 mit einem mit drei Eingängen ausgestatteten Digital-Analog-Wandler 41 verbunden. Diese drei Anschlußleitungen 38, 39, 40 führen außerdem über drei Verzögerungskreise 42, 43, 44 auf drei Ausgangsklemmen 45, 46 und 47· Die einzelnen Bezugsspannungen für die Komparatoren 21-27 haben der Reihe nach sieben verschiedene Spannungspegel. Diese sieben Spannungspegel teilen den dynamischen Bereich des Eingangssignals in acht Teile. Die Bezugsspannurjgen werden von der Reihenschaltung der Konstantstromquelle 28 mit den sieben Widerständen 29 - 35 erzeugt, und sie werden dann den Komparatoren 21-27 eingegeben. Diese Bezugsspannungen, die in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel dem Vergleichen dienen, werden mit periodisch im Eingangssignal auftretenden Gleichspannungen verklammert, wobei diese periodisch auftretenden Signale beispielsweise die Synchronisiersignale des fernsehsignals sein können, die einen konstanten Bezugswert haben, wie dies an früherer Stelle bereits gesagt ist. Wenn ein !Fernsehbildsignal der Eingangskiemme 1 zugeleitet wird, vergleichen die Komparatoren 21-27 die Spannungen des Fernsehbildsigiials mit den zugehörigen Bezugs spannungen und bilden ein achteckiges Code-Ausgangssignal von einer Figur. Die Codesignale, die von den Komparatoren 21 - 27 abgegeben werden, werden dem Code-Wandler 37 eingegeben, von dem sie. ein Binär-C ode signal von drei Figuren umgewandelt werden. Der Code-Wandler 37 ist allgemein bekannt und kann beispielsweise dem Angebot (311, Februar 1973, Seite 6) von Fairctiild Co. für einen schnellen Analog-Digit al-Wandler entnommen werden. Das aus dem Code-Wandler 37 erhaltene Binär-C odesignal wird dem Digital-Analog-Wandler 41 eingegeben und von diesem in eine Spannung mit

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entsprechendem Pegel umgesetzt. Die aus dem Digital-Analog-Wandler 41 erhaltene Spannung und ein entsprechender Teil des Eingangs-Fernsehbildsignals, das durch den Verzögerungskreis 4 "verzögert worden ist, gelangen dann in den Operationsverstärker 5, der das aus diesen Signalen gebildete Differenz-Ausgangssignal der nächsten Wandlerstufe als Eingangssignal in der bereits früher beschriebenen Weise zuführt. Andererseits kann ein Ausgangssignal mit natürlichem Binär-Code von 3 bits parallel in einzelne bits aufgeteilt den Ausgangsklemmen 45, 46 und 47 über die Verzögerungskreise 42, 43, 44 abgenommen werden.

Die beiden beschriebenen Ausführungsformen können angewendet v/erden, wenn Informations signale des umzusetzenden Eingangssignals nur auf der einen Seite des darin periodisch enthaltenen Bezugspegels verteilt sind, wie dies bei Pernsehbildsignalen der Pail ist. Wenn dagegen wie bei dem Beispiel nach Figur 4 Informationssignale zu beiden Seiten des Bezugspegels 48, der periodisch im Eingangssignal enthalten ist, verteilt sind, dann werden die Bezugspegel 48 auf die gestrichelt gezeichneten Werte 49 abgesenkt, indem Gleichspannungen in einer Größe den Bezugspegeln 48 hinzugefügt werden, daß der neue Pegel 49 dann unterhalb des niedrigsten Wertes des Eingangssignals zu liegen kommt. Damit wird erreicht, daß die Informationssignale wiederum nur auf einer Seite des nun erniedrigten Bezugspegels liegen. Damit können wiederum die Ausführungsformen in der beschriebenen Art eingesetzt werden.

Im letzteren Pail X3t es möglich, die Schaltungsanordnung des Vergleichskreises 2 so abzuwandeln, wie sie Pigur 5 zeigt. Pigur 5 bringt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels, von dem 3 bits eines Digitalsignals in einer Einheits-Wandlerstufe gebildet werden. In Pigur 5 besteht der Vergleichskreis 2 aus sieben Komparatoren 50 - 56, die

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parallel zueinander angeordnet sind, einer Reihenschaltung aus zwei Konstantstromquellen 57 und 58 und sechs Widerständen 59 - 64, einem Klammerkreis 65, der den Komparator 53 gemeinsam verwendet, und einem Code-Wandler 66. Der Klammerkreis 65 enthält einen elektronischen· Schalter 67, der in Reihe zwischen einer Ausgang ski emme des Komparators 53 und einer Klemme 69 eines Kondensators 68 liegt, dessen zweiter Belag an Masse gelegt ist. Die Klemme 69 des Kondensators 68 ist über einen Puffer 70 an einen Anschlußpunkt 72 zwischen den beiden Widerständen 61 und 62 geführt, wodurch eine Rückkopplungsverbindung geschaffen ist.

Die Bezugsspanmmgen in dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel v/erden auf dieselbe Weise erzeugt wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 3. Das heißt, die Bezugsspannungen von sieben Stufen, die den dynamischen Bereich des Eingangs signal s in acht CCeile unterteilen, werden durch die beiden Konstantstromquellen 57» 58 und die sechs Widerstände 59 - 64, die zwischen diesen Konstantstromquellen in Reihe liegen, gebildet und dann jeweils den entsprechenden Komparatoren 50 - 56 zugeleitet. Die am Anschlußpunkt 72 zwischen den Widerständen 61 und 62 auftretende Bezugsspannung wird mit den im Eingangssignal enthaltenen Bezugspegeln verklammert.

Der Bezugspegel des Eingangssignals wird auf die Eingangsklemme 1 gegeben, und der elektronische Schalter befindet sich im geöffneten Zustand durch einen Schaltimpuls, der abhängig von den Bezugspegeln, die periodisch im Eingangssignal auftreten, gebildet wird» Im Komparator 53 wird die in den Bezugspegeln erscheinende Spannung im Eingangssignal mit der Bezugsspannung am Verbindungspunkt 72 zwischen den Widerständen 61 und 62 verglichen. Ist dabei der Wert der Bezugspegel höher als die Bezugs spannung am Anschluß-

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punkt 72, gibt der Komparator 53 als Ausgang ein Signal "1" ab. Dadurch wird der Kondensator 68 aufgeladen, so daß die Spannung an seinem Anschluß 69 ansteigt. Da der Anschluß 69 mit dem Anschlußpunkt 72 über die Rückkopplungsleitung 71 verbunden ist, steigt auch die Spannung am Anschlußpunkt 72 mit an. Sobald die Spannung an diesem Anschlußpunkt 72 höher wird als die Spannung der Bezugspegel im Eingangssignal, gibt der Komparator 53 an seinem Ausgang das Signal "0" ab. Damit hört das Aufladen des Kondensators 68 auf, denn der elektronische Schalter 67 öffnet, wodurch die Spannung an der Klemme 69 des Kondensators 68 auf einem konstanten Wert gehalten wird. Bei dem oben beschriebenen Vorgang v/ird der Kondensator 68 langsam aufgeladen, da die Ausgangsimpedanz des Komparators 53 und auch die Kapazität des Kondensators 68 große Werte haben, so daß der Aufladevorgang durch die periodisch auftretenden Bezugspegel mehrmals vorgenommen werden muß, und die Spannung an der Klemme 69 des Kondensators 68 erreicht schließlich den konstanten Wert, wie dies an früherer Stelle beschrieben wurde. Da die Spannung am Anschlußpunkt 72 damit ebenfalls auf einem konstanten Wert gehalten wird, sind die Bezugssp^annungen für den Vergleich mit den Bezugspegeln im Eingangssignal verklammert.

Sind im Gegensatz dazu die Spannungswerte der Bezugs- pegel im Eingangssignal niedriger als die Spannung vom Anschlußpunkt .72, wird am Komparator 53 ein Ausgangssignal "0" abgegeben. Sobald der Bezugspegel des Eingangssignals auf die Klemme 1 der Schaltung kommt, wird der elektronische Schalter 67 auf Durchlaß geschaltet, so daß die im Kondensator 68 gespeicherte elektrische Ladung in den Komparator 53 fließt, was zur Folge hat, daß die Spannung an der Klemme 69 absinkt. Wird die Spannung am Anschlußpunkt 72 dann niedriger als die Spannung der Bezugspegel des Eingangssignals,

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so gibt der Komparator 53 das Ausgangssignal "1" ab. In diesem Augenblick wird die Spannung an der Klemme 69 des Kondensators 68 und damit die Spannung am Anschlußpunkt 72 zwischen den Widerständen 61 und 62 auf einem konstanten Wert gehalten, indem der elektronische Schalter 67 aufmacht. Somit sind die Bezugs spannung en für den 'Vergleichsvorgang ebenfalls wieder in der oben beschriebenen Weise verklammert.

Die Komparatoren 50 - 56 vergleichen die Spannungen des Eingangs signal s mit den in der erläuterten Weise verklammerten Bezugsspannungen und bilden ein Achteck-Ausgangssignal von einer Gestalt. Der Code-Wandler 66 setzt dieses Achteck-Signal in ein binär-codiertes Signal von drei Figuren um. Damit kann das Eingangssignal, das Informationssignale zu beiden Seiten der Bezugspegel, die periodisch auftreten, enthält, gemäß der Erfindung in ein Digitalsignal umgesetzt werden.

Wie oben erläutert, sind die Bezugssignale für den Vergleich im Analog-Digital-Wandler gemäß der Erfindung mit den Bezugspegeln im Eingangssignal, das in Digitalsignale umgesetzt werden soll, verklammert, und dann wird die Vergleichsbehandlung für den Umwandelvorgang durchgeführt« Bei einem Kaskaden-Analog-Digital-Wandler ist es möglich, _; die Gleichspannungsdrift, die in den Verzögerungskreisen, den Operationsverstärkern und anderen Teilen auftritt, auszuschalten und außerdem den Einfluß, den Schwankungen der Gleichspannungskomponenten im Eingangssignal hervorrufen, zu unterdrücken. Es wird auf diese Weise ein Analog-Digital-Wandler und insbesondere ein solcher Kaskaden-Wandler von hoher Genauigkeit und großer Stabilität erhalten. Bei dem erfindungsgemäßen Kaskaden-Wandler erhalten die Eingangssignale durch die Verzögerungskreise in den einzelnen

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Wandlerstufen nacheinander eine Verzögerung, womit eine Synchronisierung zwischen dem Eingangssignal und den aus den Vergleichen hervorgehenden Signalen, die beide dem Operationsverstärker zugeleitet werden, erzielt wird, womit dann nicht erforderlich ist, Schaltkreiselemente mit sehr hoher Schaltgeschwindigkeit und kleiner Gleichspannungsdrift einzusetzen Damit wird möglich, einen kompakten und billigen Wandler unter Verwendung integrierter Schaltungen herzustellen.

Der Analog-Digital-Wandler nach der Erfindung kann nicht nur in Verbindung mit Fernsehbildsignal en verwendet werden, die Synchronisiersignale von negativer Polarität enthalten, wie dies anhand eines Beispiels in der Beschreibung dargestellt wurde, sondern der Einsatz bei Synchronisiersignalen mit positiver Polarität ist ebenfalls möglich, indem die Polaritäten der entsprechenden Schaltkreiselemente und entsprechender Schaltungsvorgänge umgekehrt werden. Der Wandler kann außerdem in Verbindung mit sämtlichen Analogsignalen eingesetzt werden, in denen periodisch konstante G-ieichspannungspegel wiederkehren, die als Vergleichsgrößen benutzt v/erden können. Soll beispielsweise ein aus Audiosignalen bestehendes Analogsignal, das durch zeitliche Aufteilung gemultiplext ist, in ein Digitalsignal umgewandelt werden, dann kann dazu ein Analog-Digital-Wandler gemäß der Erfindung verwendet werden, indem in das umzusetzende Analogsignal periodische konstante G-leichspannungspegel eingefügt v/erden.

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Claims

Patentansprüche

»)Analog-Digital-Wandler, in welchem das umzusetzende analoge Eingangssignal mit mehreren konstanten Signalen, die für den Vergleich standardisiert v/erden, verglichen wird und das Digitalsignal als aus dem Vergleich hervorgehender Ausgangswert gebildet wird, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Komparatoren, die die Eingangssignale mit jeweils einem der zahlreichen, für den Vergleichsvorgang standardisierten Bezugssignale vergleicht und die entsprechenden Digitalsignale als Ausgangsgrößen aus diesem Vergleich bildet, und wenigstens einen Klammerkreis, der die aus den Bezugssignalen gewonnenen Spannungspegel jeweils mit Konstantspannungspegeln verklammert, die auf einen im Eingangssignal enthaltenen Bezugspegel bezogen sind.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Klammerkreis eine aus wenigstens einer Konstantspannungsquelle und einem Widerstand bestehende Reihenschaltung aufweist sowie einen der Komparatoren, der das Eingangssignal mit einer an einer Klemme des Widerstandes auftretenden Bezugs spannung vergleicht, einen Kondensator, der mit einer Ausgangsklemme .. des Komparators durch einen Schalter verbunden ist und abhängig vom Ausgang des Komparators aufgeladen oder entladen wird, und einem zwischen eine Anschlußklemme des Kondensators und den Anschluß des Widerstandes eingeschalteten Puffer, der einen Rückkopplungspfad bildet.
3. Wandler nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet , daß der Schalter eine Diode ist und der Kondensator durch eine der Gleichspannungsquellen über einen Widerstand mit hohem Widerstandswert und dan

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Komparator durch die Diode aufgeladen und über den anderen Widerstand entladen wird.
4. Wandler nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schalter ein durch einen Tastimpuls gesteuerter elektronischer Schalter ist, wobei der Tastimpuls in Abhängigkeit vom Eingangssignal gebildet wird.
5. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß den Komparatoren das Eingangssignal und außerdem jeweils eine der Bezugsspannungen zugeführt wird, die an aufeinanderfolgenden Klemmen der in Reihe liegenden Widerstände auftreten, und daß derjenige Komparator, der im Klammerkreis enthalten ist, die an einer Klemme des Widerstandes auftretende Bezugsspannung zugeführt erhält, der in bezug auf den Bezugspegel im Eingangssignal gelegen ist, während die Ausgangsklemmen der anderen Komparatoren parallel an einen Code-Wandler angeschlossen sind, der die Ausgangs-Digitalsignaie der Komparatoren in ein Digitalsignal der gewünschten Form umsetzt.
6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Wandlerstufen in Kaskade geschaltet sind und jede der Wandlerstufen einen Klammerkreis sowie zwei zugehörige Komparatoren enthält, von denen einer-im Klamnierkreis liegt, während ein Digital-Anal og-Wandler den Ausgangswert des anderen Komparators in ein Analogsignal umsetzt, und einen Operationsverstärker, der ein Differential-Ausgangssignal erzeugt aus einem vom Digital-Analog-Wandler erhaltenen Analogsignal und einem entsprechenden Teil des Eingangs signals, welches Ausgangssignal dann als Eingangssignal der nächsten Wandlerstufe zugeführt wird mit Ausnahme bei der letzten Wandlerstufe,

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7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere ¥andlerstufen in Kaskade geschaltet sind und jede Stufe einen Klammerkreis enthält sowie mehrere Komparator en, von denen einer im Klammerkreis enthalten ist, einen Gode-Wandler, der Ausgangs-Digitalsignale der entsprechenden Komparatoren umsetzt, einen Digital-Analog-Wandler, der vom Gode-Wandler zugeführte Digitalsignale in Analogsignale umwandelt, und einen ein Differential-Ausgangssignal aus dem Analogsignal vom Digital-Analog-Wandler und einem entsprechenden Teil des Eingangssignals ein Differential-Ausgangs signal "bildenden Operationsverstärker, welches als Eingangssignal der nächsten Wandler stufe zugeleitet wird mit Ausnahme bei der letzten Wandlerstufe.

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